Глава II. Экскурсы в молекулярную физику

1. К истории атомистики

Отрывок из речи Дж. К. Максвелла "Молекулы", произнесенной в 1873 г., может служить хорошим примером вступления к рассказу об истории атомистики.

"Возьмем некоторую часть вещества, каплю воды, например, и будем наблюдать ее свойства. Подобно всякой другой части вещества, когда-либо нами виденной, она делима. Разделим ее пополам, и каждая часть удержит все свойства первоначальной капли, между прочим, и свойство делиться на части. Части будут подобны целому во всех отношениях, кроме абсолютных размеров.

Будем повторять процесс деления до тех пор, пока отдельные части воды не сделаются настолько малы, что мы уже не в состоянии будем различать их или оперировать с ними. Пока мы не сомневаемся в том, что этот процесс деления можно было бы вести и дальше, если бы наши чувства были острее и наши инструменты тоньше. До сих пор все было определено, но теперь возникает вопрос: можно ли продолжать эти подразделения как угодно далеко?

Согласно Демокриту и атомистической школе, мы должны ответить отрицательно. После некоторого числа делений капля разделится на части, из которых каждая уже не способна к дальнейшему разделению. Следовательно, мы должны, в воображении, дойти до атома, который, как буквально значит это слово, не может быть разделен пополам. Такова атомистическая доктрина Демокрита, Эпикура и Лукреция, и я могу прибавить, вашего лектора.

Согласно Анаксагору, с другой стороны, части, на которые мы делим каплю, во всех отношениях подобны целой капле, так как природа вещества остается та же, каковы бы ни были размеры тела. Следовательно, если делима целая капля, то и ее части делимы, как бы малы они ни были, и так без конца.

Сущность учения Анаксагора в том, что части тела во всех отношениях подобны целому. Поэтому его называли учением о гомеомерии. Анаксагор, без сомнения, не утверждает этого о частях органических тел, каковы человек и животные, но он утверждает, что неорганические вещества, которые кажутся нам однородными, действительно таковы, и что универсальный опыт человечества свидетельствует, что всякое материальное тело, без исключения, делимо.

Таким образом, учение об атомах и учение об однородности противоречат одно другому.

Перейдем теперь к молекулам. Молекула - слово новое. Мы не встречаем его в Словаре Джонсона. Идеи, им воплощаемые, принадлежат современной химии.

Водяная капля - возвращаемся к нашему первому примеру - может быть разделена на определенное число, и не более, частей, подобных друг другу. Каждую из них современный химик называет молекулой воды. Это - никоим образом не атом, ибо она содержит два различных вещества, кислород и водород, и известным процессом молекулу можно действительно разделить на две части - одну, состоящую из кислорода, другую - из водорода. Согласно принятому учению, в каждой Молекуле воды находятся две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Будут ли это последние атомы или нет, решить я не берусь".

Джеймс Клерк Максвелл был одним из первых создателей физической атомистики. До середины XIX в. атомистическая теория развивалась почти исключительно химиками. Широко использовал ее для объяснения физических явлений лишь М. В. Ломоносов (1711-1765). Однако его работы остались малоизвестными.

Основополагающую роль сыграли исследования английского химика Джона Долтона (1766-1844), или, как у нас принято писать, Дальтона. Он начал атомистическое истолкование химических законов. Согласно Дальтону, атомы отличаются друг от друга только массой. Приняв атомную массу водорода за единицу, Дальтон составил таблицу относительных атомных масс известных химических элементов и дал первые формулы химических соединений.

Вот некоторые из его интересных высказываний: "Уже одно наблюдение различных агрегатных состояний должно привести к тому заключению, что все тела состоят из колоссального количества крайне ничтожных частиц или атомов, связанных между собой более или менее значительной в зависимости от обстоятельств силой притяжения".

"Мы так же не в состоянии сотворить или уничтожить атом водорода, как не в состоянии создать новую планету в солнечной системе или уничтожить существующие уже планеты. Все изменения, которые мы можем производить, заключаются в разделении прежде связанных атомов и в соединении прежде разделенных атомов".

В 1808 г. французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) открыл закон, согласно которому объемы газообразных веществ, вступающих в реакцию, и объемы газообраз ных продуктов реакции, будучи приведенными к одинаковым температуре и давлению, находятся в простых кратных отношениях.

Попытки атомистического истолкования этого закона привели в 1811 г. итальянского химика Амедео Авогадро (1776-1856) к идее о существовании "простых молекул" - атомов и их агрегаций - молекул.

Важнейшей опорной величиной для атомистики явилась постоянная Авогадро, существование которой вытекало из гипотезы: в равных объемах всех газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Гипотеза Авогадро выдержала многократные испытания в эксперименте и теории и привела к утверждению в физике одной из важнейших мировых констант.

Особая роль в становлении количественной атомистики принадлежит водороду. К началу XIX в. газообразный водород был хорошо изучен и служил объектом пристального внимания химиков. Среди многочисленных интересных свойств была его малая плотность: примерно 9-10-5 г/см³. Анализ результатов измерений атомных весов показал, что округленные атомные веса всех известных элементов являются целыми кратными атомного веса водорода. Это привело Праута (1815) к гипотезе, что атомы всех химических элементов являются агрегациями атомов водорода. Гипотеза долгое время служила предметом плодотворных споров. Рациональное зерно в ней было выделено только спустя почти 100 лет, когда была раскрыта структура атомных ядер.

В химии долгое время фигурировал загадочный агент - сила химического сродства. В связи с открытием химических действий электрического тока происхождение силы химического сродства получило неожиданное объяснение.

В 1806 г. Дэви высказывает мысль о том, что химические и электрические силы имеют общую природу, химическое сродство является следствием электрических притяжений между частицами вещества. "При современном состоянии наших знаний было бы бесполезно пытаться делать умозаключения относительно источника электрической энергий или о тех причинах, в силу которых тела, приведенные в соприкосновение, противоположно электризуются. Однако связь между электрической энергией и химическим средством достаточно очевидна".

Эта общая идея послужила плодотворным началом.

Шведский химик Берцелиус, развивая мысль Дэви, формулирует ведущую гипотезу - гипотезу электрически заряженного атома. Согласно Берцелиусу, атомы всех веществ заряжены положительным и отрицательным электричеством, они имеют соответствующие полюсы. Последние не одинаковы по своей силе. В зависимости от силы полюсов атомы - полярные частицы - могут быть поставлены в ряд, члены которого имеют тем большее химическое сродство, чем дальше расположены они друг от друга.

Образование химических соединений является результатом действия электричества.

В середине XIX в. начала развиваться кинетическая теория газов. Немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) предположил, что газ состоит из частичек, подчиняющихся законам динамики Ньютона, и получил связи между давлением, объемом и температурой, установленные в опытах Бойля, Мариотта, Шарля и Гей-Люссака. При этом он предполагал, что молекулы газа движутся с одинаковыми скоростями.

В 1860 г. Максвелл открыл закон распределения молекул газа по скоростям. Он показал, что в газе молекулы могут иметь любые скорости, но большинство движется со скоростями, соответствующими температуре газа.

В этих исследованиях молекулы газа представлялись материальными точками, подчиняющимися законам механики. Одновременно детализируется представление о самих молекулах. В 1865 г. Лошмидт дал первое численное определение диаметра молекулы. Его теоретический результат был подтвержден в 1870 г. В. Томсоном.

Метод Томсона получил широкую известность и стал предметом школьных лабораторных работ: измеряется масса мыльного раствора, из него образуется мыльная пленка, определяются ее размеры и в предположении, что молекулы - шарики, заполняющие данный объем, вычисляется их диаметр. То же самое можно проделать с пленкой масла, разлитой по некоторой поверхности.

Методическое замечание. Лошмидт дал следующую яркую иллюстрацию: "Ноберт может начертить 4000 линий на протяжении миллиметра. Промежутки между этими линиями хорошо видны в хороший микроскоп. Куб, сторона которого равна 1/4000 миллиметра, можно считать за наименьший видимый объект для современного наблюдателя. Такой куб будет содержать от 60 до 100 миллионов молекул кислорода или азота".

Одновременно с молекулярно-кинетической теорией газов атомистика становится фундаментом теорий диффузии, теплопроводности и внутреннего трения.

Другая линия развития атомистики идет от идеи частичек электрических жидкостей. Исследование механизма электрических явлений, в первую очередь в газах и электролитах, привело к открытию электрона и далее к установлению структуры атома.

Следует заметить, что развитие атомистики протекало при постоянном противодействии сторонников идеи непрерывности материи. В конце XIX в. оппозиция была особенно сильной. Ее возглавляли идеалистически настроенные ученые Э. Мах и В. Оствальд.

В окончательной победе атомистики большую роль сыграло явление, открытое английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858) в 1827 г. Броуновское движение является визуально наблюдаемым следствием теплового движения молекул вещества.

Вначале была гипотеза: мелкие частички бомбардируются беспорядочно движущимися молекулами; в результате частички тоже совершают беспорядочные движения. Эту гипотезу впервые высказал немецкий ученый Отто Винер в 1863 г. Увеличение интенсивности броуновского движения с ростом температуры служило подтверждению этой гипотезы. Однако уверенность могла прийти только после построения количественной теории броуновского движения, постановки количественных опытов.

Не случайно теория броуновского движения привлекла внимание великого Эйнштейна. В 1905 г. одновременно с основной работой по теории относительности он опубликовал теорию броуновского движения, в которой сформировал ведущую идею: броуновское движение является хаотическим, так же хаотично движение вызывающих его молекул. Отсюда открылась возможность построения статистической количественной теории, па основании которой Эйнштейн вычислил постоянную Авогадро, размеры броуновских частиц, вязкость жидкости и т. д.- величины, доступные экспериментальной проверке.

Одновременно с Эйнштейном теорию броуновского движения развил польский физик Мариан Смолуховский (1872-1917).

В 1908 г. французский физик Жан Перрен (1870-1942) предпринял экспериментальную проверку теории броуновского движения. Интересна формулировка ведущей идеи Перрена:

"Молекула сахара, содержащая 45 атомов, и молекула сульфата хинина, содержащая свыше 100 атомов, играют в растворе не большую и не меньшую роль, чем какая-нибудь молекула воды, содержащая всего лишь 3 атома.

А раз так, то нельзя ли предположить, что не существует никакого предельного размера частиц, для которых справедливы эти (статистические.- В. Д.) законы? Разве нельзя предположить, что даже видимые частицы и те подчиняются этим законам... Частица, совершающая броуновское движение, играет не большую и не меньшую роль, чем обычная молекула в процессе соударения со стенками сосуда? Короче говоря, разве нельзя предположить, что законы газов применимы также и к эмульсиям, состоящим из видимых частиц?" (подчеркнуто мною.- В. Д.).

Перрен изготовил эмульсии, поместил их в пробирки и наблюдал через микроскоп распределение взвешенных в жидкости частиц по высоте. Оказалось, что видимые частицы рас-

пределяются в поле тяготения Земли по такому же закону, который нашел Л. Больцман (1844-1906), исходя из молекулярно-кинетической теории газов.

По данным многочисленных опытов Перрен получил значение важнейшей в молекулярно-кинетической теории величины - постоянной Авогадро: 6,82·10²³ с возможной ошибкой в 3%. Это послужило наиболее убедительным доказательством справедливости атомистической теории, реальности атомов.