ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВСЕЛЕННАЯ (ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА)

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

Первые догадка о существовании атомов, мельчайших ^ частичек, из которых строятся все тела природы, воз­никла ещё в древнем мире, около двух с половиной тысяч лет назад.

В своих попытках объяснить различные явления при­роды древнегреческие учёные-материалисты высказали предположение, что все тела в мире состоят из мельчай­ших материальных частиц, далее неделимых, которые они назвали атомами. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть простым глазом, поэтому тела и кажутся нам сплошными. В действительности же любое тело со­стоит из атомов и пустого пространства.

Такое представление о строении тел позволяло убеди­тельно объяснять многие явления природы. Почему, на­пример, мы чувствуем запах цветов и различных паху­чих веществ на расстоянии? Если предположить, что эти вещества не сплошные, а состоят из мельчайших ча­стиц, тогда нетрудно дать ответ на этот вопрос. От паху­чих веществ отлетают отдельные частички; они попадают к нам в нос, и мы чувствуем запах вещества.

Просто объясняются при помощи атомов и такие всем известные явления, как испарение воды при нагревании, растворение сахара в воде, расширение и сжатие тел при изменении температуры. Действительно, если предпола­гать, что вода и сахар являются сплошными телами, то очень трудно понять, как может в воде растворяться са­хар, а сама вода при нагревании превращаться в пар. Если же допустить, что эти тела состоят из отдельных мельчайших частичек, тогда такие явления, как раство­рение сахара в воде и испарение воды, становятся легко объяснимыми.

Кусок сахара, попадая в воду, распадается в ней на свои мельчайшие, невидимые глазом частички, которые расходятся по всей жидкости. При испарении воды от­дельные её частички отрываются от поверхности жидко­сти и поднимаются в воздух.

Признание, что тела состоят из мельчайших частиц, даёт возможность просто объяснить и их способность из­менять свой объём при изменении температуры: когда тело расширяется, это означает, что его частички ото­двигаются друг от друга; при сжатии тела частички, на­оборот, сближаются друг с другом.

Материалистическое учение о мельчайших частицах вещества легко объясняло, таким образом, самые различ­ные явления природы.

Проходит, однако, несколько веков, и учение древ­них учёных-материалистов надолго забывается. В этом повинны служители церкви.

В средние века, отмеченные мракобесием церкви, учение об атомах было запрещено. Последователи этого учения жестоко преследовались. В учении о мельчайших материальных частичках, из которых состоят все тела, церковники справедливо видели серьёзную угрозу для религии. Таинственные, загадочные явле­ния природы, для объяснения которых привлекались божественные силы, материалистическое учение об ато­мах объясняет естественными причинами. И церков­ники объявляют это учение противным религии, гре­ховным.

Церковь вообще запрещала какое-либо научное ис­следование природы, считая, что такого рода исследова­ния подрывают веру в божественный промысел. Не для чего изучать мир. Это грешно и противно богу, — учили попы и. монахи. Известный средневековый учёный Рожер Бэкон более двадцати лет просидел в тюрьме за то, что с помощью опыта опровергал ненаучные взгляды церков­ников. Церковники обвинили его в ереси и колдовстве. Знаменитого учёного Галилея церковный суд заставил под угрозой смерти отказаться от своих убеждений, про­тиворечащих религии.

Проходят средние века. С XV—XVI веков наступает эпоха быстрого развития производительных сил. Наука восстаёт против религии, и в XVII веке атомистическое учение возрождается.

В книге, въттттедтттей в первой половине XVII века, французский учёный Гассенди доказывает, что учение древнегреческих мыслителей-материалистов об атомах правильно. Атомы отличаются друг от друга формой, ве­личиной и весом, но различных атомов немного. Как же строится из них всё многообразие тел природы? Это по­добно тому, как из трёх десятков букв составляются де­сятки тысяч различных слов. Точно так же из разных ато­мов строятся все тела мира. Атомы объединяются в раз­личных соединениях в небольшие устойчивые группы, ко­торые называются молекулами. В различных телах эти молекулы различны. Они отличаются друг от друга как числом входящих в их состав атомов, так и видом последних.

Однако взгляды Гассенди были ещё примитивны, во многом неправильны. Атомистическое учение попрежнему оставалось догадкой.

Действительно научную теорию невидимых частиц первым дал М. В. Ломоносов.

Ломоносов считает, что все мельчайшие частицы, из которых состоят тела, материальны.

Свойствами таких частиц определяются свойства тел, в состав которых они входят.

Мы уже рассказывали о том, как, пользуясь атомной теорией, М. В. Ломоносов дал правильное объяснение те­плоты (см. стр. 11). Применяет атомную теорию строения вещества Ломоносов и для объяснения «упругой силы воздуха». В специальной работе, посвящённой этому во­просу, он пишет: «Мы считаем излишним призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень мно­гие по обычаю века, изобилующего тонкими материями, применяют обыкновенно для объяснения природных явле­ний. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью са­мого воздуха и ищем причину упругости его в самой ма­терии его».

М. В. Ломоносов считает, что «упругая сила» воздуха происходит от непосредственного взаимодействия атомов воздуха. «Очевидно, что отдельные атомы воздуха, вза­имно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в не­чувствительные моменты времени и когда одни находятся в соприкосновении, вторые атомы друг от друга отпрыг­нули, ударились в более близкие к ним и снова отскочи­ли; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рас­сеяться друг от друга во все стороны».

Такого рода удары частичек воздуха и создают в сум­ме своей давление газа при заключении его в какой-либо сосуд.

Воззрение Ломоносова о взаимодействии частиц лег­ло в основу современной кинетической теории газов.

В своих сочинениях М. В. Ломоносов подробно объяс­няет, как из невидимых, «нечувствительных», как он их называет, частичек вещества строятся различные тела лрироды.

Каждое тело состоит из частичек — «корпускул», или, что то же, молекул. Корпускулы (молекулы) бывают О Д—1 нородными и разнородными. Однородная моле­кула состоит из одинаковых «элементов» —атомов. Раз­нородная молекула состоит из атомов, отличных друг от Друга.

Из однородных корпускул строятся простые тела. А сложные тела состоят из корпускул (молекул) разно­родных.

Ломоносов считает также, что атомы в молекулах сложных тел могут располагаться по-разному; от этого также зависят свойства сложных тел.

Великий учёный не останавливается на простом объяс­нении того, как построены различные тела. Он использу­ет атомную теорию как могучее средство научного ис­следования, как средство для объяснения различных свойств вещества. Его по справедливости следует считать основоположником атомно-молекулярной теории.

М. В. Ломоносов первый даёт атомистическое пред­ставление о химическом элементе.

Как образуется сложное вещество из простых веществ, например та же вода, из водорода и кислорода?

Почему в этом химическом соединении газообразные водород и кислород превращаются в жидкость — в со­единение с новыми, резко отличными свойствами?

Разгадка этого заключается в том, что в воде нет ки­слорода и водорода как простых веществ, как газов. В этом химическом соединении содержатся не газы - водород и кислород, а атомы этих химических элементов.

Разлагая воду на элементы, мы разлагаем её на ато­мы водорода и кислорода, и тогда эти атомы принимают вид простых веществ — газов — кислорода и водорода.

Атомы разных видов, встречающиеся в природе, и называются химическими эле­ментами. Химический элемент, т. е., иными словами, атомы какого-либо вида, может образовывать простое тело, а также (вместе с атомами других «сортов») входить в состав сложных веществ.

Каждому химическому элементу соответствует свой особый вид атомов.

Таким образом, понятия химического элемента и про­стого тела различны. Об этом различии и сказал впер­вые М. В. Ломоносов. Он писал: «... в киновари (химиче­ское соединение ртути и серы) есть ртуть... однако в ки­новари ртути ни сквозь самые лучшие микроскопы видеть нельзя», т. е., иными словами, Ломоносов и говорил о том, что в киновари содержится не простое тело — метал­лическая ртуть, — а её атомы.

Позднее, в XIX веке, великий русский химик Д. И. Менделеев, открывший периодический закон хими­ческих элементов, писал, что «Под именем элементов должно подразумевать те материальные составные части простых и сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств. Если про­стому телу соответствует понятие о частице, то элементу отвечает понятие об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые».

Ломоносов не сомневался в том, что атомная теория строения вещества отражает действительность. Его ра­боты, как уже было сказано, показывают, что учение об атомах является могущественным орудием научного ис­следования.

Но во времена Ломоносова самый факт существова­ния мельчайших материальных частичек вещества требо­вал ещё доказательства. Атомная теория признавалась далеко1 не всеми и считалась справедливой лишь постоль­ку, поскольку помогала убедительно объяснять различ­ные явления окружающего мира. Но фактов, непосред­ственно указывающих на то, что атомы и молекулы суще­ствуют в действительности, Ломоносов в своём распоря­жении не имел.

Не было их в течение долгого времени и после него.

Доказать же реальное существование невидимых ча­стичек необходимо было ещё и потому, что даже полтора столетия после Ломоносова находились учёные, которые объявляли атомы выдумкой материалистов. К ним от­носился, например, немецкий химик Оствальд, утверждав­ший, что атомы и молекулы непознаваемы. Оствальд писал, что атомная теория представляет собой излишнюю гипотезу (т. е. предположение), так как она не может быть подтверждена опытом.

Сама наука опровергла эти реакционные измышления. В нашем распоряжении имеется сейчас целый ряд фактов почти непосредственного проявления атомов.

Каковы эти факты? Что знаем мы в настоящее время об этих частичках вещества?

Размешайте в воде немного пыльцы растений. Возь­мите затем каплю такой воды и рассмотрите её под ми­кроскопом. Вы увидите, что плавающие в воде крошечные частицы пыльцы находятся в непрерывном беспорядочном движении (рис. 3), сходным с тем, как мы себе пред став - ляем движение частичек газа или жидкости. И как долго бы вы на них ни смотрели, движение частиц не прекра­щается. Чем вызвано это движение? В чём его причина? В том, что частички пыльцы испытывают на себе непре­рывные удары молекул воды. Каждое данное мгновение с каждой отдельной частичкой пыльцы сталкиваются мно­гие тысячи молекул воды (по сравнению с отдельными молекулами эти частички громадны). Естественно при этом, что сила ударов молекул воды с разных сторон на каждую отдельную частичку пыльцы не одинакова, так как каждое мгновение о разные стороны частички ударя­ется различное число молекул. В силу этого каждая час­тичка и движется в жидкости в самых различных направ­лениях.

Тепловое движение молекул на земле никогда не пре­кращается, поэтому мы никогда не дождёмся того, чтобы и частички пыльцы прекратили своё беспорядочное дви­жение.

Так можно наблюдать результат движения молекул [6]).

Существование мельчайших материальных частичек доказывается и таким опытом. В массивный стальной сосуд наливают минеральное масло. Сосуд закрывают очень плотно крышкой и подвергают масло давлению. Когда давление достигает нескольких тысяч атмосфер, на наружных стенках стального сосуда появляются капельки масла: они просочились сквозь толстый слой стали!

Очевидно, что это просачивание может быть объясне­но только, если допустить, что как масло, так и сталь со­стоят из мельчайших частиц. Под большим давлением ча­стички масла проходят между частицами металла и вы­ступают на поверхности сосуда.

Мы не будем рассказывать здесь о других опытах, до­казывающих реальное существование атомов и молекул. Таких опытов можно привести много.

В настоящее время мы уже можем видеть очень крупные молекулы непосредственно. На рисунке 4 вы видите изображение крупных молекул одного слож­ного органического вещества в электронном микро­скопе. Такой микроскоп даёт увеличение в 100—200 ты­сяч раз.

Каковы же действительные размеры этих мельчайших материальных частиц атомов и молекул, в существовании которых мы теперь уже не сомневаемся?

Насколько они малы, может дать представление сле­дующее сравнение. Если уложить в ряд сто миллионов молекул воды, то получится цепочка длиною всего около 2—3 сантиметров. Если же уложить в один ряд все мо­лекулы, которые содержатся в одной лишь капле воды, то получится цепочка, которая протянется от Земли до Солнца, и обратно (рис. 5). Так малы молекулы.

Ещё меньше размеры атомов. Так, диаметр атома водорода равен всего одной десятимиллионной доле миллиметра. Примерно таковы же размеры и других атомов.

Столь же мал и вес атомов. Например, тот же атом во­дорода весит 0,00000000000000000000000167 грамма. Все

Другие атомы тяжелее атома водорода, некоторые — в десятки и сотни раз. Так, атом серебра тяжелее атома водорода примерно в сто шесть раз, атом ртути — в двести раз.

Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга своим весом. Атом каждого химического элемента имеет свой собственный, отличный от других атомов, вес.