Валерия Черепенчук - 99 секретов физики

Впервые полное описание процессов диффузии дал немецкий физик Адольф Фик (1829–1901)

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун (Браун) (1773–1858) занимался изучением физиологии растений, в частности строением пыльников. Он обратил внимание на то, что пыльцевые зерна, располагавшиеся в растительном соке, находились в непрерывном движении, хотя, казалось бы, никакая сила извне на них не воздействовала!

Правда, Броун не довел до конца свои наблюдения – это сделал француз Луи Жорж Гуи (1854–1926). Он пришел к выводу, что интенсивность «броуновского движения» (именно так обозначили открытое шотландским ученым явление) не зависит ни от освещенности, ни от электромагнитного поля… И решил, что движение вызывается «тепловым движением молекул». То есть движение «броуновских частиц» – мелких «кусочков» вещества – вызвано тем, что об них ударяются окружающие их молекулы. (В ранних исследованиях ученые просто не видели молекул из-за несовершенства техники.) Если частичка невелика, то под ударами окружающих ее молекул она будет метаться то в одну, то в другую сторону. На рубеже XIX–XX веков исследователи отметили, что движение частиц ускорялось при нагревании.

И к середине ХХ столетия теория о броуновском движении была сформулирована: оно представляет собой беспорядочное движение микроскопических частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе, под влиянием теплового движения частиц этой жидкости или газа. Броуновское движение наглядно иллюстрирует теорию о хаотическом движении атомов и молекул.

«Броуновское движение» и рассмотренный нами ранее процесс диффузии неразрывно связаны

Демокрит – «отец атомарной теории» – предполагал, что атомы имеют разнообразную форму и могут сцепляться друг с другом при помощи чего-то напоминающего крючочки и петельки. На самом же деле чаще всего атомы объединяются силами своих «составных частей» – электронов. Электроны, способные взаимодействовать, представляют собой нечто вроде крошечных магнитиков – они-то и обеспечивают сцепление. Такую связь называют ковалентной. В случае другого вида – ионной связи – атомы как бы обмениваются электронами, и в итоге возникает достаточно прочная связь. Способность атома эту связь обеспечивать именуется валентностью.

Что же касается количества атомов в молекуле, оно может быть разнообразно, например, в молекуле воды их всего три. Но это не предел – в составе молекулы ДНК их миллиарды!

Как вы уже знаете, еще в конце XIX века Дж. Томсон выделил в составе атома еще более мелкие частички – электроны. У каждого атома есть ядро и оболочка. Ядро образуют нейтроны и протоны (о них разговор у нас впереди), а оболочка составлена из электронов – поэтому ее именуют еще электронным облаком. Почему атом не разваливается? Почему все его «составные части» не разлетаются в разные стороны? Дело в том, что ядро за счет содержащихся в нем протонов имеет положительный заряд, а у электронов он отрицательный.

Соответственно, ядро и оболочка притягиваются друг к другу, но не склеиваются намертво по причине того, что электроны находятся в постоянном движении, как бы водят хоровод вокруг атомного ядра. Сам же атом в итоге остается электрически нейтральным, так как протоны и электроны уравновешивают друг друга.

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) совершил очередной переворот в науке. Он ставил опыты с так называемой катодной трубкой (баллон с двумя электродами) и обнаружил лучи, которые обладали способностью пронизывать практически все предметы, которые взволнованный исследователь помещал в поле их действия: доски, листы картона, алюминиевые пластины… Но самым удивительным было то, что, вытянув руку между источником лучей и световым экраном, Рентген смог во всех подробностях рассмотреть скелет кисти.

Открытые лучи исследователь назвал «Х-лучами», желая таким образом подчеркнуть их необычность и загадочность. Опубликовав несколько работ, которые, впрочем, не раскрыли окончательно природу загадочного «Икса», Рентген занялся другими исследованиями. А суть открытия пояснили в 1912 году физики Вальтер Фридрих (1883–1968) и Пауль Книппинг (1883–1935). Их вывод был таков: рентгеновские лучи – не что иное, как электромагнитные колебания, во многом схожие с обычным светом, но обладающие значительно большей частотой и меньшей длиной волны. Этим и объясняются их удивительные свойства.