Текст книги "Физика для всех. Молекулы"

Автор книги: Александр Китайгородский

Соавторы: Лев Ландау
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц)

Физика для всех. Молекулы

Во второй из четырех книг 'Физики для всех' рассказано о строении вещества, о физических явлениях и процессах, которые происходят в реальных кристаллах и определяют их свойства. Читатель знакомится с различными фазовыми состояниями вещества, со структурой и свойствами жидких и твердых растворов, структурой кристаллов и молекул, с основными законами термодинамики.

Лев Давидович Ландау, Александр Исаакович Китайгородский

6-е изд., стер – Москва: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984 – с.208

Предисловие к четвертому изданию

Этой книге дано название «Молекулы». В нее вошли без изменений многие главы из второй половины прежней книги «Физика для всех» Л. Д. Ландау и А. И. Китайгородского.

Книга посвящена в основном разнообразным аспектам учения о строении вещества. Однако атом остается здесь пока тем, чем он был для Демокрита,– неделимой частицей. Разумеется, в книге затронуты и проблемы, связанные с движением молекул. Ведь они лежат в основе современного понимания тепловых явлений. И, конечно, в ней не оставлены без внимания вопросы, касающиеся фазовых переходов.

За годы, прошедшие со времени выхода предыдущих изданий "Физики для всех", резко возросли наши сведения о строении молекул, об их взаимодействии друг с другом. Много мостиков было перекинуто между проблемами молекулярной структуры вещества и его свойствами. Это обстоятельство побудило меня включить в эту книгу довольно значительный по объему новый материал.

Мне кажется, что давно уже наступило время введения в стандартные учебники общих сведений о молекулах, которые более сложны, чем молекулы кислорода, азота и углекислого газа. До сего времени в большинстве курсов физики авторы не считают нужным вести разговор о более сложных комбинациях атомов. А ведь макромолекулы прочно вошли в наш быт в виде разнообразных синтетических материалов! Создана молекулярная биология, которая объясняет явления жизни на языке молекул белков и нуклеиновых кислот.

Точно так же незаслуженно опускаются обычно вопросы, касающиеся химических реакций. А ведь речь идет о физическом процессе столкновения молекул, сопровождающемся их перестройкой. Насколько легче объяснить слушателю или читателю сущность ядерных реакций, если он знаком с совершенно аналогичным поведением молекул.

При переработке книги оказалось целесообразным перенести некоторые разделы прежней "Физики для всех" в последующие выпуски.

В частности, мы сочли возможным ограничиться лишь несколькими словами о звуке в главе, посвященной молекулярной механике.

Точно так же показалось целесообразным отложить разговор об особенностях волнового движения до рассмотрения электромагнитных явлений.

В целом четыре выпуска нового издания "Физики для всех" ("Физические тела", "Молекулы", "Электроны", "Фотоны и ядра") будут охватывать изложение основ физики.

Апрель 1978

А. И. Китайгородский

Кирпичи мироздания

Элементы

Из чего построен окружающий нас мир? Первые дошедшие до нас ответы на этот вопрос родились в Древней Греции более 25 веков тому назад.

Ответы кажутся на первый взгляд донельзя странными, и мы должны были бы потратить много бумаги, чтобы объяснить читателю логику древних мудрецов – Фалеса, утверждавшего, что все состоит из воды, Анаксимена, говорившего, что мир построен из воздуха,; или Гераклита, по мнению которого все состоит из огня.

Несообразность подобных объяснений заставила более поздних греческих "любителей мудрости" (так переводится слово "философ") увеличить число первооснов или, как их называли в древнем мире, элементов. Эмпедокл утверждал, что элементов четыре: земля,; вода, воздух и огонь. В это учение внес окончательные (на очень долгое время) поправки Аристотель.

Согласно Аристотелю, все тела состоят из одного и того же вещества, но это вещество может принимать различные свойства. Этих невещественных элементов-свойств четыре: холод, тепло, влажность и сухость. Соединяясь по два и будучи приданы веществу, элементы-свойства Аристотеля образуют элементы Эмпедокла. Так, сухое и холодное вещество дает землю, сухое и горячее – огонь, влажное и холодное – воду и, наконец, влажное и горячее – воздух.

Впрочем, ввиду трудности ответа на ряд вопросов философы древности добавили к четырем элементам-свойствам еще "божественную квинтэссенцию". Это что-то вроде бога-повара, готовящего одно блюдо из разнородных элементов-свойств. Ссылкой на бога, разумеется, нетрудно дать разъяснение любому недоумению.

Впрочем, очень долгое время – почти вплоть до XVIII века – мало кто отваживался недоумевать и задавать вопросы. Учение Аристотеля было признано церковью, и сомнение в его справедливости было ересью.

И все же сомнения эти возникали. Породила их алхимия.

В далекие времена, в глубь которых мы можем заглянуть, читая древние рукописи, человек знал, что все окружающие нас тела способны превращаться в другие. Горение, обжиг руды, сплавление металлов – все эти явления были хорошо известны.

Это, казалось бы, не противоречило учению Аристотеля. При любом превращении менялась, так сказать, "дозировка" элементов. Если весь мир состоит всего лишь из четырех элементов, то возможности превращения тел должны быть очень велики. Нужно найти лишь секрет, как сделать, чтобы из любого тела можно было получать любое другое.

До чего заманчива задача сделать золото, или найти особый, необыкновенный "философский камень", дающий его обладателю богатство, власть, вечную молодость. Науку об изготовлении золота, философского камня, о превращении любого тела в любое другое древние арабы назвали алхимией.

Столетиями продолжалась работа людей, посвятивших себя решению этой задачи. Алхимики не научились делать золото, не нашли философского камня, но зато собрали много ценных фактов о превращении тел. Эти факты послужили в конце концов смертным приговором для алхимии. В XVII веке многим стало ясно, что число основных веществ – элементов несравненно больше четырех. Ртуть, свинец, сера, золото, сурьма оказались неразлагаемыми веществами, уже нельзя было говорить, что эти вещества построены из элементов. Пришлось, напротив, причислить их к элементам мира.

В 1668 г. в Англии вышла в свет книга Роберта Бойля "Скептический химик, или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков". Здесь мы находим совершенно новое определение элемента. Это уже не неуловимый, таинственный невещественный элемент алхимиков. Теперь элемент – это вещество, составная часть тела.

Это укладывается в современное определение понятия элемента.

Список элементов Бойля был невелик. К правильному списку Бойль присоединил еще и огонь. Впрочем, идеи об элементах-свойствах жили и после него. Даже в списке великого француза Лавуазье (1743-1794), которого считают основателем химии, наряду с действительными элементами фигурируют и невесомые элементы: теплотвор и световое вещество.

В первой половине XVIII века было известно 15 элементов, а к концу века число их возросло до 35. Правда, лишь 23 из них – действительные элементы, остальные же – или несуществующие элементы, или вещества, как едкие натр и калий, которые оказались сложными.

К середине XIX века в химических руководствах описывалось уже свыше 50 неразложимых веществ.

Толчком для сознательных поисков неоткрытых элементов явился периодический закон великого русского химика Менделеева. Здесь еще рано говорить об этом законе. Скажем лишь, что своим законом Менделеев установил, как надо искать еще не открытые элементы.

К началу XX века были открыты почти все встречающиеся в природе элементы.

Атомы и молекулы

Около 2000 лет назад в Древнем Риме была написана оригинальная поэма. Ее автором был римский поэт Лукреций Кар. «О природе вещей» – так называлась поэма Лукреция. Звучными стихами рассказал Лукреций в своем поэтическом произведении о взглядах древнегреческого философа Демокрита на мир.

Что это были за взгляды? Это было учение о мельчайших, невидимых частичках, из которых построен весь наш мир. Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение.

Вот, например, вода. При сильном нагревании она превращается в невидимый пар и улетучивается. Как это можно объяснить? Ясно, что такое свойство воды связано с ее внутренним строением.

Или почему, например, мы ощущаем запахи цветов на расстоянии?

Размышляя над подобными вопросами, Демокрит пришел к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными, на самом же деле они состоят из мельчайших частиц. У различных тел эти частицы различны по форме, но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Поэтому-то любое тело и кажется нам сплошным.

Демокрит назвал такие мельчайшие, неделимые далее частички, из которых состоят вода и все другие тела, "атомами", что по-гречески означает "неделимые".

Замечательная догадка древнегреческих мыслителей, родившаяся 24 века назад, позднее была надолго забыта. Более тысячи лет в ученом мире безраздельно господствовало ошибочное учение Аристотеля. Утверждая, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, Аристотель категорически отрицал существование атомов. Любое тело можно делить до бесконечности – учил Аристотель.

В 1647 г. француз Пьер Гассенди издал книгу, в которой смело отрицал учение Аристотеля и утверждал, что все вещества в мире состоят из неделимых частичек – атомов. Атомы отличаются друг от друга формой, размерами и массой.

Соглашаясь с учением древних атомистов, Гассенди развил это учение дальше. Он объяснил, каким именно образом могут возникать и возникают в мире миллионы разнообразных тел природы. Для этого, утверждал он, не нужно большого числа различных атомов. Ведь атом – это все равно что строительный материал для домов. Из трех различных видов стройматериалов – кирпичей, досок и бревен – можно построить огромное число самых разнообразных домов. Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы; эти группы Гассенди назвал "молекулами", т. е. "массочками" (от латинского слова "молес" – масса).

Молекулы различных тел отличаются одна от другой числом и видом ("сортом") входящих в них атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных комбинаций – молекул. Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел.

Однако еще многое во взглядах Гассенди было ошибочно. Так, он считал, что имеются особые атомы для тепла, холода, вкуса и запаха. Как и другие ученые того времени, он не мог полностью освободиться от влияния Аристотеля, признавал его невещественные элементы.

В сочинениях М. В. Ломоносова – великого просветителя и основателя науки в России – содержатся следующие мысли, получившие подтверждение на опыте много позднее.

Ломоносов пишет, что молекула может быть однородной и разнородной. В первом случае в молекуле группируются однородные атомы. Во втором – молекула состоит из атомов, отличных один от другого. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то его надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов" Ломоносов называет его смешанным.

Теперь мы хорошо знаем, что различные тела природы имеют именно такое строение. В самом деле" возьмем, например, газ кислород; в каждой его молекуле содержится по два одинаковых атома кислорода. Это молекула простого вещества. Если же атомы, составляющие молекулы, различны,– это уже "смешанное", сложное химическое соединение. Молекулы его состоят из атомов тех химических элементов, которые входят в состав этого соединения.

Можно сказать и иначе: каждое простое вещество построено из атомов одного химического элемента; сложное вещество включает в себя атомы двух и более элементов.

Ряд мыслителей говорили об атомах, приводя логические доводы в пользу их существования. По-настоящему ввел атомы в науку и сделал их предметом исследования английский ученый Дальтон. Дальтон показал, что существуют химические закономерности, которые можно объяснить лишь используя представления об атомах.

"После Дальтона атомы прочно вошли в науку. Однако еще очень долго находились ученые, которые "не верили в атомы". Один из них писал в самом конце прошлого века, что через несколько десятилетии атомы "удастся разыскать лишь в пыли библиотек".

Сейчас подобные суждения кажутся смешными. Мы знаем сейчас так много подробностей о "жизни" атома, что сомневаться в его существовании – все равно, что подвергать сомнению реальность Черного моря.

Относительные массы атомов определили химики. Сначала за единицу была принята масса атома водорода. Относительная атомная масса азота оказалась равной примерно 14, кислорода – примерно 16, хлора – примерно 35,5. Впоследствии был сделан несколько иной выбор единицы – число 16,0000 приписывалось природному кислороду. Атомная масса водорода оказалась равной в этой шкале 1,008.

В настоящее время решено взять за основу не кислород и не водород, а изотоп углерода 12С. Измерив массу этого атома способом, кратко описанным в первой книге при изложении системы СИ, делим на двенадцать. Полученное число называется атомной единицей массы. Число, пользующееся сегодня наибольшим доверием, таково:

Теперь мы можем обратиться к воображению читателя и дать ему возможность почувствовать малость этой цифры. Представьте себе, что у каждого человека на земном шаре вы потребуете по миллиарду молекул. Сколько же вещества соберется таким образом? Несколько миллиардных долей грамма.

Или еще такое сравнение: земной шар во столько раз тяжелее яблока, во сколько раз яблоко тяжелее атома водорода.

Обратная величина от m_A называется числом Авогадро:

Это огромное число имеет следующий смысл. Возьмем вещество в таком количестве, чтобы число граммов равнялось относительной массе атома или молекулы М. Такое количество химики давно назвали грамм-атомом или грамм-молекулой (часто для краткости говорят: моль). Хотя m_А в системе СИ относится к атому углёрода ¹²С, практически N_A любых атомов или молекул имеют массу, равную относительной массе атома или молекулы, выраженной в граммах.

С введением "моля" в качестве независимой единицы число Авогадро перестало быть отвлеченным числом. В единицах СИ оно имеет размерность моль^-1.

Что такое теплота

Чем отличается горячее тело от холодного? На этот вопрос до начала XIX века отвечали так: горячее тело содержит больше теплорода (или теплотвора), чем холодное. Совершенно так же, как суп более соленый, если содержит больше соли. А что такое теплород? На это следовал ответ: «Теплород – это тепловая материя, это элементарный огонь». Таинственно и непонятно. А по сути дела, это ответ такой же, как объяснение, что такое веревка: «Веревка – это вервие простое».

Наряду с теорией теплорода уже давно существовал другой взгляд на природу теплоты. Его отстаивали с большим блеском многие выдающиеся ученые XVI – XVIII столетий.

Фрэнсис Бэкон в своей книге "Новый органон" писал: "Сама теплота в своей сущности есть не что иное, как движение... Теплота состоит в переменном движении мельчайших частей тела".

Роберт Гук в книге "Микрография" утверждал: "Теплота есть непрерывное движение частей тела... Нет такого тела, частички которого были бы в покое".

Особенно отчетливые высказывания такого же рода мы находим у Ломоносова (1745 г.) в его работе "Размышления о причине тепла и холода". В этом сочинении отрицается существование теплорода и говорится, что "теплота состоит во внутреннем движении частичек материи".

Очень образно говорил Румфорд в конце XVIII века: "Тело тем горячее, чем интенсивнее движутся частички, из которых оно построено, подобно тому как колокол звучит тем громче, чем сильнее он колеблется".

В этих замечательных догадках, намного опередивших свое время, кроются основы наших современных взглядов на природу тепла.

Бывают иногда тихие, спокойные, ясные дни. Листочки на деревьях замерли, даже легкая рябь не возмутит водяной глади. Все окружающее застыло в строгой торжественной неподвижности. Покоится видимый мир. Но что при этом происходит в мире атомов и молекул?

Физика наших дней может много рассказать об этом. Никогда, ни при каких условиях не прекращается невидимое движение частичек, из которых построен мир.

Почему же мы не видим всех этих движений? Частицы движутся, а тело покоится. Как это может быть?..

Не приходилось ли вам когда-либо наблюдать рой мошек? В безветренную погоду рой как бы висит в воздухе. А внутри роя идет интенсивная жизнь. Сотня насекомых метнулась вправо, но в этот же момент столько же метнулось влево. Весь рой остался на том же месте и не изменил своей формы.

Невидимые движения атомов и молекул носят такой же хаотический, беспорядочный характер. Если какие-то молекулы ушли из объема, то их место заняли другие. А так как новые пришельцы ничуть не отличаются от ушедших молекул, то тело остается все тем же. Беспорядочное, хаотическое движение частиц не меняет свойств видимого мира.

Однако не пустой ли это разговор, может спросить нас читатель. Чем эти, пусть красивые, рассуждения доказательнее теории теплорода? Разве кто-нибудь видел вечное тепловое движение частичек вещества?

Тепловое движение частичек можно увидеть, и притом при помощи самого скромного микроскопа. Первым наблюдал это явление еще более ста лет назад английский ботаник Броун.

Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Ботаник заинтересовался, какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Ученый решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно неживые, частички не находились в покое, они были охвачены непрерывным хаотическим движением. Чем меньше частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник эту каплю воды, но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Их будто постоянно толкали какие-то невидимые силы.

Броуновское движение частиц – это и есть тепло вое движение. Тепловое движение присуще большим и малым частичкам, сгусткам молекул, отдельным молекулам и атомам.

Энергия сохраняется всегда

Итак, мир построен из движущихся атомов. Атомы обладают массой, движущийся атом обладает кинетической энергией. Конечно, масса атома невообразимо мала, поэтому и энергия его будет крошечной, но ведь атомов миллиарды миллиардов.

Теперь напомним читателю, что хотя мы говорили о законе сохранения энергии, но это не был достаточно универсальный закон сохранения. Импульс и момент сохранялись в опыте, а энергия сохранялась только в идеале – при отсутствии трения. На самом же деле энергия всегда уменьшалась.

Но раньше мы ничего не говорили об энергии атомов. Возникает естественная мысль: там, где на первый взгляд мы отмечали уменьшение энергии, на самом деле незаметным для глаза способом энергия передавалась атомам тела.

Атомы подчиняются законам механики. Правда (это вам придется узнать из другой книги), их механика несколько своеобразна, но это дела не меняет – в отношении закона сохранения механической энергии атомы ничуть не отличаются от больших тел.

Значит, полное сохранение энергии обнаружится лишь тогда, когда наряду с механической энергией тела будет учтена внутренняя энергия этого тела и окружающей среды. Только в этом случае закон будет универсальным.

Из чего же складывается полная энергия тела? Первую ее составляющую мы, по сути дела, уже назвали – это сумма кинетических энергий всех атомов. Но не надо забывать и про то, что атомы взаимодействуют один с другим. Таким образом, добавляется еще потенциальная энергия этого взаимодействия. Итак, полная энергия тела равняется сумме кинетических энергий его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

Нетрудно понять, что механическая энергия тела как целого есть только часть полной энергии. Ведь когда тело покоится, молекулы его не останавливаются и не перестают взаимодействовать одна с другой. Энергия теплового движения частиц, которая остается у покоящегося тела, и энергия взаимодействия частиц составляют внутреннюю энергию тела. Поэтому полная энергия тела равняется сумме механической и внутренней.

В механическую энергию тела как целого входит также энергия тяготения, т. е. потенциальная энергия взаимодействия частиц тела с земным шаром.

Рассматривая внутреннюю энергию, мы уже не обнаружим пропажи энергии. Когда мы рассматриваем природу через стекла, увеличивающие мир в миллионы раз, картина представляется нам на редкость гармоничной. Нет никаких потерь механической энергии, а есть лишь превращение ее во внутреннюю энергию тела или среды. Пропала работа? Нет! Энергия ушла на убыстрение относительного движения молекул или изменение их взаимного расположения.

Молекулы послушны закону сохранения механической энергии. В мире молекул нет сил трения; мир молекул управляется переходами потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Лишь в грубом мире больших вещей, не замечающем молекул, "энергия пропадает".

Если в каком-либо явлении механическая энергия пропадает вся или частично, то на такую же величину возрастает внутренняя энергия тел и среды, участвующих в этом явлении. Иначе говоря, механическая энергия переходит без каких бы то ни было потерь в энергию молекул или атомов.

Закон сохранения энергии – это строжайший бухгалтер физики. В любом явлении приход и расход должны точно сойтись. Если этого не произошло в каком-либо опыте, то, значит, что-то важное ускользнуло от нашего внимания. Закон сохранения энергии в таком случае сигнализирует: исследователь, повторить опыт, увеличить точность измерений, искать причину потерь! На таком пути физики неоднократно делали новые важные открытия и еще раз убеждались в строжайшей справедливости этого замечательного закона.