Текст книги "Рассказ о строении вещества"

Автор книги: Владимир Мезенцев

III. МЕЛЬЧАЙШИЕ МАТЕРИАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

1. Несколько простых вопросов

Подумаем над некоторыми простыми явлениями. Кто из вас не знает, как надевают обруч на новое колесо телеги? Обруч нагревают докрасна на огне, а затем быстро надевают его на деревянное колесо. По мере охлаждения обруч, сжимаясь, всё сильнее и сильнее охватывает колесо.

Или такой пример. Посмотрите на рисунок 3.

Рис. 3. Опыт с железным шаром.

Пока железный шар не нагрет, он без особого труда проходит через кольцо. Но стоит вам разогреть шар на огне, как он останется лежать на кольце. Очевидно, это можно объяснить только тем, что шар расширился от нагревания; его диаметр стал больше, кольцо стало тесным для горячего шара. И, действительно, оставьте нагретый шар полежать на кольце некоторое время, дайте ему охладиться; как только шар остынет, он снова сожмётся и упадёт через кольцо.

Если распилить такой шар пополам, можно убедиться, что он сделан из обыкновенного металла. Вы не увидите на его разрезе никаких раковин, никаких пустых мест. Это– сплошной кусок железа.

В чём здесь дело? Почему сплошное на вид тело расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении? Каким образом железо способно сжиматься и расширяться, оставаясь в то же время одним и тем же куском железа? Не правда ли, над этим общеизвестным, житейским явлением стоит подумать?

А вот другой пример, всем знакомый. Хорошо известно, что рыбы, как и наземные животные, не могут жить без кислорода. Спрашивается: откуда же рыбы, живущие в воде, берут воздух? Ответ ясен: очевидно, из воды. И действительно, воздух обнаруживается в воде на самых больших глубинах. Но как может проникать в неё воздух? Ведь вода, как вы к ней ни приглядывайтесь, кажется нам совершенно сплошным телом. Мы не видим в ней никаких «ходов», по которым воздух мог бы проникать в воду!

И над этим стоит подумать.

И вот вам, наконец, ещё пример. Если вы бросите в стакан воды кусочек каменной соли, он постепенно растворится в воде, исчезнет в ней. Что случилось с солью? Как получается, что кусок твёрдого вещества растворяется в воде, становится в ней невидимым? Ведь соль в этом случае не исчезает и не превращается в какое-то другое вещество. Вода, в которой растворена соль, становится солёной, как и кусок соли. Более того, если выпарить эту солёную воду, то на дне стакана вновь станет видна та же каменная соль, что была растворена в воде. Чем же объяснить, что твёрдое тело – кусок соли – способно растворяться в воде, делаться невидимым и в то же время оставаться солью?

Как объяснить эти простые, всем известные факты? Как могут сжиматься железо, проникать в воду воздух, растворяться в воде соль?

Ответ на эти вопросы и даёт нам в руки дальнейшую разгадку природы окружающих вещей, поможет нам выяснить их внутреннее строение.

Ответ на этот вопрос впервые родился как догадка много веков назад.

2. Поэма древнего мира

Мы уже приводили слова поэта древнего мира Лукреция Кара: «Из ничего даже волей богов ничего не творится». Эти слова взяты из его поэмы «О природе вещей». Около 2 000 лет назад была написана эта оригинальная поэма. В своём поэтическом произведении звучными стихами Лукреций рассказал об учении древнегреческого философа – материалиста Демокрита. Это было учение о мельчайших невидимых частичках, из которых построен весь мир.

Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение.

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

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

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

Такое предположение, что все тела в мире – и земля, и животные, и растения, и воздух, и сам человек – построены из невидимых частиц, очень просто объясняло ранее непонятные явления природы. В самом деле, если вода не является сплошным телом, а состоит из «водяных» частиц, то не представляет особого труда объяснить её превращение в пар. Когда кипящая вода превращается в пар, то это означает, что частицы воды отрываются от её поверхности и улетают в воздух.

Так же легко можно объяснить и то, почему мы ощущаем запахи различных цветов. В этом случае от душистых веществ, находящихся в цветах, отрываются и разлетаются в воздухе отдельные невидимые частички. Эти частички, попадая в нос, и создают ощущение запаха.

К мысли о таком строении окружающих тел Демокрит приходит и другим путём. Размышляя над вопросом, что будет, если мы начнём делить какое-либо вещество, скажем, ту же воду, на всё более мелкие и мелкие части, он невольно задумывался о том, можем ли мы продолжать это деление беспредельно.

Нет! – отвечал философ, – если делить воду достаточно долго на всё более мелкие и мелкие капельки, то можно, наконец, получить такие частички воды, которые будут далее уже неделимы.

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

Вот как записал он свое новое учение об атомах:

«Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все прочее есть мнение. Сладкое существует только во мнении… во мнении существует тепло, холод, цвета».

«Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по форме».

«Различие всех предметов зависит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия атомов не существует».

Через полтораста лет после Демокрита философ Эпикур внёс в учение об атомах существенную поправку; он высказал мысль, что число различных атомов в мире не бесконечно. Большинство тел природы имеет сложный состав: они состоят из простых, неделимых и неизменных тел. А таких простых тел в природе немного. Кроме того, Эпикур считал, что атомы имеют различную тяжесть, то-есть различный вес.

Вот это учение и записал Лукреций в стихах:

 
«Ныне внимательно должен ты выслушать истины слово,
Новые сведенья с силой хотят тебе в уши проникнуть,
И пред тобою откроются новые взгляды на вещи».
«Первоначальное правило ставит природа такое:
Из ничего даже волей богов ничего не творится».
«Надо заметить еще: разлагает природа все вещи
На составные частицы, пропасть же ничто в ней не может.
Если б погибнуть могли составные частицы все эти,
То существа умирали б, внезапно из глаз исчезая,
Ибо не нужно бы было усилий к тому, чтоб частицы
Разъединить в каждой вещи и связь между ними расторгнуть».
«Чтоб к положеньям моим ты не начал питать недоверья
Лишь потому, что твой глаз этих телец первичных не видит,
Я докажу, что бывают они несомненно в предметах
Даже тогда, когда глаз никакой их не может заметить.
Ветра порывы, во-первых, что волны морские колеблют,
Рушат суда величавые и облака разгоняют…
…Ясно нам ныне, что ветры – тела, недоступные взору».
«Далее. Запахи мы ощущаем от разных предметов,
Не замечая того, чтоб к ноздрям что-нибудь поступало,
Летнего зноя и холода тоже никак мы не можем
Зрением воспринимать, как не можем и звуков увидеть.
Все то, однако, являет телесное происхождение,
Так как имеет способность известные чувства в нас тронуть;
Трогать и тронутым быть одному только телу присуще.
Платья, затем, на морском берегу, разбивающем волны,
Влагу приемлют, на солнце же снова они высыхают.
Но каким образом влага воды в них проникла, а также
Как испарила ту влагу жара, – невозможно увидеть.
Так на мельчайшие части свои распадается влага,
Их же никоим мы образом глазом не можем заметить».
«Движутся сами собою сначала первичные тельца.
Вследствие многих толчков незаметных приходят в движенье
Тельца, которые малы и сплочены менее тесно,
И как бы больше доступны воздействию сил первобытных.
Дальше, затем, возбуждаются тельца немного крупнее;
И таким образом все возрастает движение, доколе
Нашему чувству отчасти не даст себя знать в том блужданье
Маленьких телец, которые можем в лучах мы увидеть,
Но от каких происходит толчков это, – нам неизвестно».
 

Уже приведённых отрывков необыкновенной поэмы древнего мира достаточно для того, чтобы видеть, каковы были взгляды первых мыслителей-материалистов, стоящих на правильном пути к познанию мира.

Вот она перед нами, первая разгадка внутреннего строения тел природы.

Весь окружающий нас мир, все химические элементы, всё многообразие вещей и тел, его населяющих, в том числе и мы с вами, читатель, состоит из мельчайших невидимых частичек.

Различны эти частички. Так, сахар состоит из особых «сахарных» частичек; железо составлено из частичек – «зернышек» железа; вода – это скопление огромного числа «водяных» частиц и т. д.

3. Догадка превращается в теорию

Замечательная догадка древнегреческих мыслителей необыкновенно просто объясняла такие явления природы, которые ранее казались сверхъестественными, происходящими с помощью божественных сил. Различные таинственные, необъяснимые природные явления оказывались естественными, легко объяснимыми. Этого не могла допустить церковь. Она объявляет учение об атомах ересью.

Помогают церкви и власти светские. В 1626 году, например, Парижский парламент запретил учение об атомах под страхом смертной казни!

Более тысячи лет в учёном мире безраздельно господствует ошибочное учение Аристотеля.

Утверждая, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, Аристотель категорически отрицает существование атомов. «Поповщина убила в Аристотеле живое и увековечила мертвое» (Ленин).

Опасно было утверждать что-либо противное Аристотелю. За ним стояла всесильная католическая церковь, жестоко преследующая науку, свободную от религиозных суеверий.

Немного поэтому находится учёных, осмеливающихся оспаривать Аристотеля.

Но они находились!

Так, например, в 1348 году в Парижский университет было представлено сочинение Николая Ультрикурийского. Автор сочинения смело отвергал учение Аристотеля и доказывал, что атомы действительно существуют. Все разнообразные явления природы, – писал учёный, – сводятся к движению, соединению и разделению атомов. «Учёные» монахи университета заставили Ультрикурийского публично сжечь сочинение и признать свои взгляды ошибочными и еретическими. Церковники торжествовали.

Но вот постепенно оживляется промышленность европейских городов. Люди начинают нуждаться в науке, которая изучает природу, объясняет её закономерности.

И учёные всё чаще и чаще вспоминают догадку мыслителей прошлого, пытаются объяснить явления и закономерности природы при помощи атомов.

В 1647 году во Франции выходит в свет книга об атомах ученого Гассенди. Автор книги отрицает учение Аристотеля и утверждает, согласно с Демокритом, что все вещества в мире состоят из неделимых частичек – атомов. Атомы отличаются друг от друга формой, величиной и весом.

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 атомы – это всё равно, что строительный материал для домов. Из трёх различных видов стройматериалов – кирпичей, досок и брёвен – можно построить огромное число самых разнообразных домов. Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать многие тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы. Эти группы Гассенди назвал «молекулами», то-есть «массочками» (от латинского слова «молес» – «масса»). Молекулы различных тел отличаются друг от друга числом входящих в них атомов и видом («сортом») этих атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных их комбинаций – молекул. Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел.

Однако многое ещё во взглядах Гассенди ошибочно. Так, он считает, что имеются особые атомы для тепла, холода; вкуса и запаха. Как и другие учёные того времени, он не может полностью освободиться от влияния Аристотеля, от признания его невещественных элементов.

Более точное определение природы невидимых частичек и строения тел из этих частичек даёт великий Ломоносов. Атомно-молекулярную теорию впервые развил в химии М. В. Ломоносов.

Учение-догадку древних атомистов Ломоносов развивает в стройную теорию. Он подробно объясняет, каким именно образом строятся из невидимых частичек различные тела. Более того, учение об атомах он использует как средство научного исследования! Он объясняет непонятные явления природы, пользуясь атомным учением.

Великий учёный считает, что все видимые свойства различных тел природы объясняются внутренним устройством этих тел. Ломоносов первым ставит перед наукой огромную, не решённую полностью и по сей день задачу: «…сыскать причины видимых свойств, в телах на поверхности происходящих, от внутреннего их сложения». К этому же стремится и он сам во всех своих физических и химических работах.

Как объясняет русский учёный строение окружающих нас тел?

Ломоносов считает, что все тела состоят из мельчайших материальных частиц – корпускул («корпускула» – по-латыни «частица»). Все частицы материальны – они имеют свойства того тела, в состав которого они входят. Различием этих материальных, невидимых частиц и объясняется различие тел природы.

Частицу любого вещества можно разложить, разделить на ещё более мелкие частички – «элементы», но в этом случае исчезает и самое вещество с его определёнными, только этому веществу присущими качествами.

«Элементы», то-есть, иными словами, атомы, – это уже самые малые частички, на которые способны распадаться тела.

Корпускула, то-есть молекула, может быть однородной и разнородной. В первом случае в молекуле группируются одинаковые «элементы» – атомы. Во втором – молекула состоит из атомов, отличных друг от друга. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то это тело надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов, такое тело Ломоносов называет смешанным.

Таковы взгляды Ломоносова на строение окружающих нас тел. Теперь мы 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 сложное химическое соединение или «смешанное тело», как говорил Ломоносов. Молекулы такого соединения 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.

Таким образом, понятию сложного тела отвечает молекула, состоящая из различных атомов; простое тело строится из молекул, состоящих из одинаковых атомов.

Ломоносов видит различие в молекулах сложных тел не только в том, что эти молекулы состоят из различного числа различных атомов. Различие в свойствах сложных молекул зависит также и от того, каким образом расположены атомы в молекуле, как они связаны в ней друг с другом.

Такое заключение в XVIII веке мог сделать только гениальный учёный, каким и был Ломоносов! Лишь много позднее была установлена полная справедливость высказанной русским учёным мысли о зависимости свойств молекулы от характера расположения атомов в ней.

Таковы были взгляды замечательного русского физика и химика Ломоносова на строение вещества.

Великий учёный не останавливается на простом объяснении природы окружающих тел. Нет, он призывает к изучению этих невидимых частиц мироздания, в существовании которых он уверен, к познанию всех их свойств, ибо только таким путём мы можем придти к познанию сущности всех химических и физических явлений происходящих в мире.

Более того, Ломоносов, первым смело привлекает учение об атомах на помощь в изучении и объяснении ещё не ясных явлений природы. Об этом мы уже упоминали, когда говорили о том, как объяснял Ломоносов, что такое теплота.

А теперь пришла пора ответить на вопрос, поставленный в конце второй главы.

Как можно объяснить закон постоянства состава химических соединений?

Объяснить эту закономерность, и объяснить очень легко, можно только одним путём – если согласиться с тем, что все тела построены из молекул, а молекулы из атомов, имеющих совершенно определённые свойства и вес.

В самом деле. Каким путём должны образовываться в этом случае химические соединения? Возьмём простейший случай, как, например, образуется обыкновенная поваренная соль, которая, как известно, представляет собой химическое соединение двух элементов – натрия и хлора? Если и натрий и хлор состоят из атомов, то молекула поваренной соли образуется соединением атома хлора с атомом натрия. А если это так, то понятно, что где бы и как бы ни образовалась соль, она всегда будет иметь один и тот же весовой состав, так как все атомы хлора, с одной стороны, и все атомы натрия, с другой, всегда имеют один и тот же постоянный вес.

Возможен случай, когда с одним атомом какого-либо химического элемента будет соединяться не один атом другого элемента, а, скажем, два, три, четыре и более атомов. Весовой состав химического соединения в этом случае будет уже другим, чем тогда, когда один атом одного элемента соединяется с одним же атомом другого элемента, но зато и само химическое соединение здесь будет уже совсем другое – с другими свойствами. Свойства химического соединения этих двух элементов будут зависеть не только от вида вступающих в соединение атомов, но и от того, в каких соотношениях соединяются друг с другом эти атомы.

Чтобы показать, насколько меняются свойства отдельных атомов при их химическом соединении, достаточно привести пример с той же поваренной солью.

Она состоит, как уже было сказано, из элементов натрия и хлора. В каждой молекуле поваренной соли содержится один атом хлора и один атом натрия. Свойства поваренной соли – её солёный вкус и прочее – определяются свойствами её молекул.

Ну, а что представляют собой атомы химических элементов натрия и хлора, то-есть, иными словами, сами элементы натрий и хлор? Каковы их свойства?

Оказывается, оба эти элемента не имеют ничего общего с поваренной солью! Металл натрий – это несъедобное вещество, которое нельзя держать на воздухе, он очень быстро соединяется с кислородом воздуха. А газ хлор – это ядовитый желтовато-зелёный газ; в первую мировую войну он был применён немцами как отравляющее вещество. И вот такие два элемента, химически соединяясь, дают вещество не только безвредное, но даже необходимое для нашего организма!

Столь же сильно изменяются свойства соединения, если в его молекуле меняется число тех или иных атомов. Очень часто один лишний атом какого-либо элемента в молекуле соединения резко изменяет свойства этого вещества. Вот, скажем, вода. Молекула этого общераспространённого, необходимого для всех живых существ соединения состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Попробуйте, например, изменить число атомов кислорода в молекуле воды! Химики умеют это делать, но не вздумайте выпить такой «воды». Если к молекуле воды добавить ещё один атом кислорода, то получится совсем новое соединение, с совершенно другими свойствами, так называемая перекись водорода. Для питья она не годится.

Учение об атомах, атомная теория, просто и убедительно объясняет не только закон постоянства состава химических соединений, но и то, почему именно с изменением весового состава соединения изменяются его свойства.

Очень просто объясняет эта теория и ломоносовский закон сохранения массы. Действительно, если сложное вещество образуется путём присоединения атомов одного элемента к атомам другого, то масса, вес этого соединения, всегда должна быть равна сумме весов всех тех атомов, которые вступили в это соединение. Это ясно. А об этом и говорит как раз открытый Ломоносовым закон постоянства массы.

Неизменность же химических элементов, невозможность их разложения вытекают из того, что сами атомы неизменны по своим свойствам и неразложимы химическими методами.

Так «атомистический» взгляд на мир легко объяснил вновь открытые законы природы.

Ещё больший успех принесло атомной теории изучение свойств различных газов. Проводя опыты с газами, учёные обычно, поскольку это очень просто сделать, сравнивали объёмы различных газов.

В XVII веке были известны лишь немногие газообразные вещества, но к концу XVIII века были уже открыты многие газы, было установлено, что воздух является смесью различных газов. И вот с этими газами начинается работа. Химики и физики хотят знать свойства вновь открытых газообразных тел природы. Этого требует развивающаяся техника того времени.

И все вновь открываемые законы поведения газов очень легко объясняются, если только считать, что все тела состоят из быстро движущихся атомов и молекул. Именно так должны вести себя газы, если считать, что они состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.

Атомная теория завоевывает себе всё большее число сторонников, но всё же общее количество их невелико. Учёные в большинстве своём, наблюдая поведение веществ в различных условиях, не догадываются о том, что в поисках истины необходимо руководствоваться атомной теорией, принимать её не как догадку, а как действительность, планировать свою работу, сообразуясь с этой действительностью.

И только отдельные, наиболее выдающиеся люди науки смело руководствуются в своей работе атомной теорией. И великая теория блестяще оправдывает себя. Она как бы является чудодейственным ключом к открытию всё новых и новых тайн, закономерностей природы.

Первым учёным, пошедшим по новому пути, был, как мы уже говорили, Михаил Васильевич Ломоносов.