Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Что же такое единицы материи? Существуют ли они на самом деле? Можно ли бесконечно делить известное количество данного вещества, не изменяя его свойств, или же есть какое-то наименьшее его количество? Ответ на этот основной вопрос в настоящее время хорошо известен. Существует какое-то наименьшее количество любого вещества, которое называется молекулой, а в некоторых веществах— атомом. Разница между атомом и молекулой будет рассмотрена в конце настоящей главы. Раньше нам не придется делать различии между этими двумя типами наименьших единиц. Такие единицы очень малы, и в большинстве случаев простые вещества производят впечатление однородных. Однако исследования, проведенные очень тонкими методами, обнаруживают наличие какой-то молекулярной структуры. На фото III, например, показано строение кончика очень острой вольфрамовой иглы, снятого при помощи так называемого ионного микроскопа — устройства, позволяющего локализовать очень мелкие детали на некоторых металлических поверхностях.

Здесь мы видим правильное, упорядоченное расположение единиц, из которых состоит вольфрам. Зная увеличение микроскопа, можно найти размер этих единиц; оказывается, что он примерно равен 3·10 -8 см , Следовательно, один грамм вольфрама должен содержать около 3·10 21таких единиц [24] Размер единиц вольфрама, т. е. его атомов, равен 2,5 см , деленным на 100 миллионов. Воспользуемся данными, изложенными в гл. I, чтобы представить себе такие размеры. Толщина волоса в 10 000 раз меньше длины вытянутой руки (1 м). 100 миллионов — это 10 000 раз 10 000. Следовательно, размер атома вольфрама во столько же раз меньше 2,5 см , во сколько толщина волоса меньше расстояния 10 км . Атомы вольфрама расположены так, что они касаются друг друга. Поэтому кубический образец вольфрама, высота которого в n раз больше диаметра атома, содержит n 3 атомов. Образец вольфрама в форме куба весом 1 г имеет высоту 0,4 см . Это в 14 миллионов раз больше размера атома. Поэтому в 1 г вольфрама находится (14 миллионов) 3 атомов, т. е. приблизительно 3·10 21 атомов. .

На этой же фотографии мы видим, что в твердом состоянии единицы вещества образуют правильную, хорошо упорядоченную решетку.

Молекулярную природу газа, например воздуха, можно продемонстрировать весьма убедительным образом. Мы знаем, что воздух может двигать легкие предметы, так, движение воздуха заставляет шелестеть листья. Однако если воздух находится в покое в резервуаре, в котором нет ни ветра, ни течений, то мы не должны ожидать, что нам удастся заметить какое-либо движение объектов, взвешенных в неподвижном воздухе. Однако если объекты очень малы и легки — это могут быть, например, мелкие частички пыли или дыма, — то наши ожидания не оправдаются. Если рассматривать в микроскоп взвешенные в воздухе частички, то мы увидим, что они испытывают небольшие беспорядочные смещения в разные стороны (рис. 19).

Рис. 19. Броуновское движение. Легкая частица испытывает беспорядочные смещения, видимые в микроскоп.

Это выглядит так, как если бы по ним стреляли крошечными невидимыми снарядами, беспорядочно выпускаемыми во всех направлениях. Такое движение впервые обнаружил в 1827 г. ботаник Роберт Броун, увидевший в свой микроскоп хаотический танец маленьких частиц. Он вел наблюдения в воде, а не в воздухе, но причина движения от этого не изменяется. Наличие «броуновского движения» служит прямым доказательством того, что воздух не непрерывен, а состоит из множества маленьких единиц, летящих в пространстве по всем направлениям весьма произвольным образом. Любой предмет в воздухе беспорядочно обстреливается со всех сторон молекулами, и этот обстрел создает давление воздуха. Обычно число ударов столь велико, что они действуют, как постоянное давление. Однако если наш предмет очень мал, то он испытает значительно меньше ударов, и, следовательно, отдельные удары могут время от времени вызывать дополнительное действие. Это и есть причина броуновского движения.

Мы можем определить наименьшую единицу жидкости, задавая следующий вопрос: сколь большую площадь можно покрыть тонкой пленкой жидкости, если в нашем распоряжении имеется ограниченное ее количество? Если бы не существовало наименьшей единицы, то одним граммом можно было бы покрыть площадь какого угодно размера, так как тогда любую площадь можно было бы удвоить, уменьшая толщину пленки вдвое. Но если есть наименьшая единица, толщину пленки нельзя сделать меньше нее, и, следовательно, для данного количества жидкости должна существовать определенная наибольшая площадь, по которой можно распределить ату жидкость.