Enrique Alvarez: Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Удивительно, но одно из самых важных наблюдений XIX века, дающее первое неопровержимое доказательство существования молекул, было сделано не химиком и не физиком, а ботаником. В 1827 году шотландец Роберт Броун заметил, что маленькие частицы пыльцы на поверхности воды двигаются в случайном порядке. Вначале Броун подумал, что пыльца живет собственной жизнью. Потом он повторил опыты с другими неорганическими веществами, например с пылью, и получил те же удивительные результаты. Это движение, названное в его честь броуновским, было описано похожим образом в связи с турбулентностью воздуха в 60 году до н.э. философом Лукрецием в поэме "О природе вещей*. В этом произведении автор раскрывает сущность знаний об атомах его предшественников Демокрита и Эпикура:

"Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит"*.

* Перевод с латыни Ф. Петровского.

В 1863 году появилось предположение, что это движение возникает из-за неравномерного действия бесконечного числа частиц воды (или молекул), которые толкают с одной или с другой стороны пылинки либо частицы пыльцы. Беспорядочное действие этих частиц вызывает наблюдаемое движение. Вывод: молекулы существуют.

Математическое описание броуновского движения было разработано Альбертом Эйнштейном в его первых статьях, опубликованных в 1905 году. По мнению многих специалистов, описание Эйнштейна представляет собой первое физическое доказательство атомной теории: молекулы, состоящие из атомов, действуют на более крупные частицы, поскольку одна молекула воды равна примерно одному нанометру, а частица пыльцы — одному микрометру, то есть она в тысячу раз больше.

В этом исследовании Эйнштейн не только осуществлял теоретический анализ движения, но также объяснял, как проверить истинный размер молекул воды, используя частицы на поверхности. В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен, о котором мы уже говорили, изучил то, как частицы оседали под действием притяжения. Эта сила оседания, связанная с весом, противоречила броуновскому движению. Расчеты Перрена упростили работу Эйнштейна, и французский ученый рассчитал размер молекулы воды. За исследование знаменитых коллоидов он получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году. Формулировка звучала следующим образом: "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия". Мы могли бы сказать, что благодаря усилиям Перрена неуступчивый Вильгельм Оствальд признал, наконец, к концу жизни существование молекул и, следовательно, атомов.

Так в начале XX века ученые получили убедительное доказательство существования атомов, и они превратились из гипотетических объектов в реальные частицы, которые почти можно потрогать. Но последняя цель — разделить атомы, понять их структуру, если таковая есть, — еще не была достигнута. Итак, все состоит из атомов, начиная с нас самих. Предвосхищая исторические и теоретические объяснения природы и структуры атомов, нелишним будет сказать несколько слов о современных представлениях.

Все состоит из атомов. Абсолютно все. Атомы объединяются в молекулы (от латинского "маленькая масса"). В кубическом сантиметре воздуха — то есть примерно в наперстке — содержится около 50 тысяч миллиардов молекул. Любое соотнесение этого объема — с человеческим телом, с городом, с планетой и в особенности с размерами космоса — ошарашивает.

Еще одной основополагающей характеристикой атомов является их неизменность. Мы знаем сегодня, что атомы крайне долговечны, за исключением радиоактивных атомов — самых тяжелых и самых нестабильных. Но обычные частицы, из которых состоит наш организм, могут оставаться неизменными в течение 10 35лет и переходить от одного носителя к другому. Это в определенном смысле форма реинкарнации в микроскопическом масштабе.

Размеры и масса атомов действительно крошечные. О массе мы уже говорили. В качестве примера вспомним, что один атом углерода весит примерно 1, 66 х 10 -27кг. Размеры атомов могут отличаться, но это всегда маленькое число. Мы увидим, что атом пуст, его ядро относится к его размеру как яблоко к планете Земля. Если использовать цифры, мы скажем, что диаметр ядра атома составляет от 0, 3 до 3 ангстрем (1 ангстрем — 10 -10метров). Нужно будет разделить один миллиметр на тысячу и каждую полученную часть — еще на тысячу, а потом каждую новую полученную часть — еще на десять. Это и будет размер ядра.