Основні положення МКТ. Доказ існування молекул

1. Основні положення МКТ. Доказ існування молекул. Розміри і маса молекул.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії.

1). Будь-яка речовина має дискретне (переривчасте) будова. Воно складається з найдрібніших частинок - молекул і атомів, розділених між собою проміжками. Молекули є найменшими частками, що володіють хімічними властивостями даної речовини. Атоми є найменшими частками, що володіють властивостями хімічних елементів, що входять до складу даної речовини.

2). Молекули знаходяться в стані безперервного хаотичного руху, що називається тепловим. При нагріванні речовини швидкість теплового руху і кінетична енергія його частинок збільшуються, а при охолодженні - зменшуються. Ступінь нагретости тіла характеризується його температурою, яка є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул цього тіла.

3). Між молекулами в процесі їх взаємодії виникають сили тяжіння і відштовхування.

^ Експериментальне обгрунтування молекулярно-кінетичної теорії

Наявність у речовин проникності, стисливості і розчинності свідчить про те, що вони не суцільні, а складаються з окремих, розділених проміжками частинок. За допомогою сучасних методів дослідження (електронний та іонний мікроскопи) вдалося отримати зображення найбільш великих молекул.

Спостереження броунівського руху і дифузії частинок показали, що молекули знаходяться в безперервному русі.

Наявність міцності і пружності тіл, смачиваемости, прилипання, поверхневого натягу в рідинах і т. Д. - все це доводить існування сил взаємодії між молекулами.

^ Броунівський рух.

У 1827 р англійський ботанік Броун, спостерігаючи в мікроскоп суспензія квіткового пилку у воді, виявив, що крупинки пилку безперервно хаотично рухаються. Безладний рух зважених в рідини дуже маленьких частинок твердого тіла і отримало назву броунівського руху. Було встановлено, що броунівський рух відбувається необмежено довго. Інтенсивність руху зважених в рідини частинок не залежить від речовини цих частинок, а залежить від їх розмірів. Великі частинки залишаються нерухомими. Інтенсивність броунівського руху збільшується при підвищенні температури рідини і зменшується при її зниженні. Зважені в рідини частинки рухаються під дією молекул рідини, які стикаються з ними. Молекули рухаються хаотично, тому сили, з якими вони діють на зважені частинки, безперервно змінюються по модулю і напрямку. Це і призводить до безладного руху зважених часток. Таким чином, броунівський рух наочно підтверджує існування молекул і хаотичний характер їх теплового руху. (Кількісну теорію броунівського руху розробив в 1905 р Ейнштейн.)
дифузієюназивають явище самовільного взаємного проникнення молекул межують між собою речовин в міжмолекулярні проміжки один одного. (Дифузію, яка відбувається через напівпроникні перегородки, називають осмосом.) Прикладом дифузії в газах є поширення запахів. У рідинах наочним проявом дифузії є перемішування проти дії сили тяжіння рідин різної щільності (при цьому молекули важчій рідини піднімаються вгору, а більш легкої - опускаються вниз). Дифузія відбувається і в твердих тілах. Це доводить такий досвід: дві відполіровані плоскі пластинки із золота і свинцю, покладені один на одного, витримувалися при кімнатній температурі протягом 5 років. За цей час пластинки зрослися, утворивши єдине ціле, причому молекули золота проникли в свинець, а молекули свинцю - в золото на глибину до 1 см. 1 Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини і температури. З підвищенням температури швидкість дифузії зростає, а зі зниженням - зменшується.

^ Розміри і маса молекул

Розмір молекули є величиною умовною. Його оцінюють наступним чином. Між молекулами поряд з силами тяжіння діють і сили відштовхування, тому молекули можуть зближуватися лише до деякої відстані. Відстань граничного зближення центрів двох молекул називають ефективним діаметром молекули і позначають про (при цьому умовно вважають, що молекули мають сферичну форму). За винятком молекул органічних речовин, що містять дуже велику кількість атомів, більшість молекул по порядку величини мають діаметр 10 -10 м і масу 10 -26 кг.

^ Відносна молекулярна маса

Оскільки маси атомів і молекул надзвичайно малі, при розрахунках зазвичай використовують не абсолютні, а відносні значення мас, одержувані шляхом порівняння мас атомів і молекул з атомної одиницею маси, в якості якої обрана 1/12 частина маси атома вуглецю (т. Е. Користуються вуглецевої шкалою атомних мас). відносної молекулярної (або атомної) масою М r (або А r) Речовини називають величину, рівну відношенню маси молекули (або атома) цієї речовини до 1/12 маси атома вуглецю 12 С. Відносна молекулярна (атомна) маса є величиною, яка не має розмірності. Відносна атомна маса кожного хімічного елемента вказана в таблиці Менделєєва. Якщо речовина складається з молекул, утворених з атомів різних хімічних елементів, відносна молекулярна маса даної речовини дорівнює сумі відносних атомних мас елементів, що входять до складу даної речовини.

^ Кількість речовини

Кількість речовини, що міститься в тілі, визначається числом молекул в цьому тілі (або числом атомів). Оскільки число молекул в макроскопічних тілах дуже велике, для визначення кількості речовини в тілі порівнюють число молекул в цьому тілі з числом атомів в 0,012 кг вуглецю. Іншими словами, кількістю речовини v називають величину, рівну відношенню числа молекул (або атомів) N в даному тілі до числа атомів N A в 12 г вуглецю, т. е.

v \u003d N / N A . Кількість речовини виражають в молях. Моль дорівнює кількості речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул, іонів), скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг.

^ Постійна Авогадро. молярна маса

Згідно із визначенням поняття моль, в 1 моль будь-якої речовини міститься однакове число молекул або атомів. Це число N A, яка дорівнює кількості атомів в 0,012 кг (т. Е. В 1 моль) вуглецю, називають постійної Авогадро. Молярною масою М певної речовини називають масу 1 моль цієї речовини. Молярну масу речовини виражають в кілограмах на моль.

Кількість речовини можна знайти як

Масу однієї молекули можна знайти як
або з огляду на що відносна молекулярна маса число дорівнює масі однієї молекули вираженою в а.е.м. (1 а.е.м. \u003d 1,6610 -27 кг).

^ 2. Будова газоподібних, рідких і твердих тіл

Існують чотири агрегатних стани речовини - тверде, рідке, газоподібне і плазма.

Якщо мінімальна потенційна енергія W П молекул речовини багато менше середньої кінетичної енергії їх теплового руху W K (т. Е. W П\u003e W K, то речовина знаходиться в твердому стані.

У газах прі не високому тиску і не низьких температурах молекули знаходяться один від одного на відстанях, у багато разів перевищують їх розміри. В таких умовах молекули газу не пов'язані між собою міжмолекулярними силами тяжіння. Вони хаотично поступально рухаються по всьому об'єму, що займають газом. Взаємодія молекул газу відбувається тільки при їх зіткненні між собою і зі стінками посудини, в якому газ знаходиться. Передача імпульсу при цих зіткненнях обумовлює тиск, вироблене газом. Відстань, яку молекула проходить між двома послідовними зіткненнями, називають довжиною вільного пробігу молекул. Якщо молекули газу складаються з двох або декількох атомів, то при зіткненні вони набувають обертальний рух. Таким чином, в газах молекули здійснюють переважно поступальний і обертальний рух.

У рідинах відстань між молекулами можна порівняти з їх ефективним діаметром. Сили взаємодії молекул один з одним досить великі. Молекули рідини коливаються близько тимчасових положень рівноваги. Однак в рідинах W П ~ W K, тому, отримавши в результаті хаотичних зіткнень надлишок кінетичної енергії, окремі молекули долають тяжіння сусідніх молекул і переходять в нові положення рівноваги, навколо яких знову здійснюють коливальний рух. Час коливання молекул рідини біля положень рівноваги дуже мало (близько 10 -10 - 10 -12 с), після чого молекули здійснюють перехід в нові положення. Отже, молекули рідини здійснюють коливальний рух навколо тимчасових центрів рівноваги і стрибкоподібно переміщуються з одних положень рівноваги в інші (внаслідок таких переміщень рідина має плинністю і приймає форму того судини, в якому знаходиться). Рідина складається з безлічі мікроскопічних областей, в яких існує певна впорядкованість в розташуванні довколишніх молекул, що не повторюється по всьому об'єму рідини і змінюється з плином часу. Такий вид упорядкованості частинок називають ближнім порядком.

У твердих тілах відстань між молекулами ще менше, ніж в рідинах. Сили взаємодії молекул твердих тіл між собою настільки великі, що молекули утримуються відносно один одного в певних положеннях і коливаються близько постійних центрів рівноваги. Тверді тіла діляться на кристалічні і аморфні. Для кристалічних тіл характерні так звані кристалічні решітки - впорядковане й періодично повторюється в просторі розташування молекул, атомів або іонів. Якщо через довільний вузол кристалічної решітки провести пряму в будь-якому напрямку, то вздовж цієї прямої на рівній відстані будуть зустрічатися інші вузли цієї решітки, т. Е. Дана структура повторюється по всьому об'єму кристалічного тіла. Такий вид упорядкованості частинок називають далеким порядком. В аморфних тілах (скло, смола і ряд інших речовин) немає далекого порядку і кристалічної решітки, що зближує за властивостями аморфні тіла з рідинами. Однак в аморфних тілах молекули коливаються близько тимчасових положень рівноваги значно довше, ніж в рідинах. У твердих тілах молекули здійснюють переважно коливальний рух (хоча є і окремі молекули, що рухаються поступально, про що свідчить явище дифузії).

^ 3. Досвід Штерна. Розподіл молекул за швидкостями

Молекули газів рухаються з великими швидкостями прямолінійно до зіткнення. При кімнатній температурі швидкість молекул повітря досягає декількох сотень метрів в секунду. Відстань, яку в середньому пробігають молекули від одного зіткнення до іншого, називають середньою довжиною вільного пробігу молекул. У молекул повітря при кімнатній температурі середня довжина вільного пробігу порядку 10 -7 м. Внаслідок хаотичності руху молекули володіють різними швидкостями. Але при даній температурі можна визначити швидкість, близькою до якої має найбільшу кількість молекул.

Швидкість  в, близькою до якої має найбільшу кількість молекул, називається найбільш вірогідною швидкістю.

Лише дуже мала кількість молекул має швидкість, близьку до нуля, або близькою до нескінченно великою величиною, що набагато перевищує найбільш вірогідну швидкість. І, звичайно, відсутні молекули, швидкість яких дорівнює нулю або нескінченно велика. Зате більшість молекул має швидкість, близькою до найбільш вірогідною.

Зі збільшенням температури швидкості молекул збільшуються. Але кількість молекул, що володіють швидкістю, близькою до найбільш вірогідною, зменшується, так як зростає розкид в швидкостях, зростає кількість молекул, швидкості яких істотно відрізняються від найбільш вірогідною. Число молекул, що рухаються з великими швидкостями, зростає, а з меншими, - зменшується. І з-за величезної кількості молекул в будь-якому обсязі газу їх напрямки руху уздовж будь-якої осі координат різновірогідні, якщо газ знаходиться в стані рівноваги, т. е. в ньому немає потоків. Це означає, що будь-якому направленого руху однієї молекули відповідає антінаправленное рух іншої молекули з такою ж швидкістю, т. Е. Якщо одна молекула рухається, наприклад, вперед, то обов'язково знайдеться інша молекула, яка рухається з такою ж швидкістю назад. Тому швидкість руху молекул з урахуванням їх напрямки не можна охарактеризувати середньою швидкістю всіх молекул, вона завжди буде дорівнює нулю, адже позитивна швидкість, сонаправленнимі з однією з осей координат буде складатися з негативною швидкістю, антінаправленной цієї осі. Якщо ж значення швидкостей всіх молекул звести в квадрат, то все мінуси зникнуть. Якщо, потім скласти квадрати швидкостей всіх молекул, а потім розділити на число молекул N, т. Е. Визначити середню, величину квадратів швидкостей всіх молекул, а потім витягти квадратний корінь з цієї величини, то він вже не буде дорівнює нулю і їм можна буде охарактеризувати швидкість руху молекул. Корінь квадратний із середнього значення квадратів швидкостей всіх молекул називається їх середньої квадратичної швидкістю
. З рівнянь молекулярної фізики слід що
.

^ Досвід Штерна.

Перше експериментальне визначення швидкості молекул було зроблено в 1920 році німецьким фізиком О. Штерном. У ньому визначалася середня швидкість руху атомів. Схема експерименту зображена на рис.

На плоскому горизонтальному підставі закріплені дві коаксіальні циліндричні поверхні 1 і 2, які разом з підставою можуть обертатися навколо вертикальної осі ОО 1. Поверхня 1 суцільна, а п
оверхностей 2 має вузьку щілину 4, паралельну осі ОО 1. Цією віссю є платинова посріблена зволікання 3, через яку пропускають електричний струм. Вся система знаходиться в камері, з якої відкачано повітря (тобто в вакуумі). Дріт нагрівають до високої температури. Атоми срібла, випаровуючись з її поверхні, заповнюють внутрішній циліндр 2. Вузький пучок цих атомів, що пройшов крізь щілину 4 в стінці циліндра 2, долітає до внутрішньої поверхні циліндра 1. Якщо циліндри нерухомі, атоми срібла відкладаються на цій поверхні у вигляді вузької смужки, паралельної щілини (точка В), (перетин циліндрів горизонтальною площиною).

Коли циліндри приводять в обертання з постійною кутовою швидкістю  навколо осі ОО 1 за час t, протягом якого атоми летять від щілини до поверхні зовнішнього циліндра (т. Е. Проходять відстань АВ, що дорівнює різниці
радіусів цих циліндрів), циліндри повертаються на кут , і атоми осідають у вигляді смужки в іншому місці (точка С, рис. б). Відстань між місцями осадження атомів в першому і в другому випадках одно s.

позначимо середню швидкість руху атомів, а v \u003d R - лінійну швидкість зовнішнього циліндра. тоді
. Знаючи параметри установки і вимірявши експериментально s, по можна визначити середню швидкість руху атомів. Під час експерименту Штерна було встановлено, що середня швидкість атомів срібла дорівнює 650 м / с.

Гори, зірки, люди - все, що ми бачимо навколо, складається з крихітних атомів. Атоми маленькі. Дуже і дуже. З дитинства ми знаємо, що вся речовина складається з скупчень цих крихітних штучок. Також ми знаємо, що їх не можна побачити неозброєним оком. Ми змушені сліпо вірити цим заявам, не маючи можливості перевірити. Атоми взаємодіють один з одним і по цеглинці складають наш світ. Звідки ми це знаємо? Багато хто не любить приймати твердження вчених за чисту монету. Давайте разом з наукою пройдемо шлях від усвідомлення атомів до безпосереднього доказу їхнього існування.

Може здатися, що є простий спосіб довести існування атомів: засунути їх під мікроскоп. Але цей підхід не спрацює. Навіть найпотужніші мікроскопи, фокусують світло, не можуть візуалізувати один атом. Об'єкт стає видимим, оскільки відображає світлові хвилі. Атоми настільки менше довжини хвилі видимого світла, що вони зовсім не взаємодіють. Іншими словами, атоми невидимі навіть для світу. Однак атоми все ж надають спостерігаються ефекти на деякі речі, які ми можемо побачити.

Сотні років тому, в 1785 році, голландський вчений Ян Інгенхауж вивчав дивне явище, яке не міг зрозуміти. Найдрібніші частинки вугільного пилу шастали на поверхні якогось спирту в його лабораторії.

50 років по тому, в 1827 році, шотландський ботанік Роберт Броун описав щось дивно схоже. Вивчаючи пилкові гранули під мікроскопом, Броун виявив, що деякі гранули випускають крихітні частинки - які потім віддалялися від пилку у випадковому нервовому танці.

Спочатку Броун подумав, що частинки були якимось невідомим організмом. Він повторив експеримент з іншими субстанціями, на зразок кам'яного пилу, яка явно була неживої, і знову побачив дивний рух.

Знадобилося майже сто років, щоб наука знайшла пояснення. Прийшов Ейнштейн і розробив математичну формулу, яка передбачала той самий особливий тип руху - тоді названий броунівським рухом, в честь Роберта Броуна. Теорія Ейнштейна полягала в тому, що частинки пилкових гранул постійно переміщалися, оскільки в них врізалися мільйони крихітних молекул води - молекул, що складаються з атомів.

«Він пояснив, що це нервове рух, яке ви спостерігаєте, насправді створювалося впливом окремих молекул води на частинки пилу або що там у вас є», - пояснює Гаррі Кліфф з Кембриджського університету, також куратор Музею науки в Лондоні.

До 1908 року спостереження, підкріплені розрахунками, показали, що атоми реальні. За десять років фізики істотно просунулися вперед. Розтягуючи окремі атоми, вони почали розуміти їх внутрішню структуру.

Сюрпризом стало те, що атоми можна розділити - особливо в світлі того, що сама назва «атом» вийшло з грецького «атомос», що означає «неподільний». Але фізики тепер знають, що атоми далеко не базові цеглини. Вони складаються з трьох основних частин: протонів, нейтронів і електронів. Уявіть, що протони і нейтрони разом утворюють «сонце», або ядро, в центрі системи. Електрони знаходяться на орбіті цього ядра, подібно до планет.

Якщо атоми неймовірно малі, то ці субатомні частинки і зовсім. Забавно, але першою виявили найменшу частку з трьох - електрон. Щоб зрозуміти різницю розмірів, майте на увазі, що протони в ядрі в 1830 разів більше електрона. Уявіть собі чупа-чупс на орбіті повітряної кулі - невідповідність буде приблизно таким.

Але як ми дізналися, що ці частинки там? Відповідь в тому, що вони хоч і маленькі, але мають великий вплив. Британський фізик Томсон, який відкрив електрони, використовував прекрасний метод, щоб довести їх існування в 1897 році.

У нього була трубка Крукса - шматок скла смішний форми, з якого машиною був висмоктаний майже все повітря. До одного кінця трубки підводили негативний електричний заряд. Цього заряду було досить, щоб вибити у молекул залишився в трубці газу частина електронів. Електрони заряджені негативно, тому летіли до іншого кінця трубки. Завдяки частковому вакууму, електрони пролітали через трубку, не зустрічаючи на своєму шляху великі атоми.

Електричний заряд призводив до того, що електрони рухалися дуже швидко - близько 59 500 кілометрів в секунду - поки не врізалися в скло на дальньому кінці, вибиваючи ще більше електронів, які ховалися в його атомах. Дивно, але зіткнення між цими дивно крихітними частинками виробляло стільки енергії, що породжувало фантастичне зелено-жовте світіння.

«Це був в деякому сенсі один з перших прискорювачів частинок, - говорить Кліфф. - Він прискорює електрони на одному кінці трубки до іншого, і вони врізаються в екран на іншому кінці, виробляючи фосфоресцирующее світіння ».

Оскільки Томсон виявив, що може керувати пучками електронів за допомогою магнітів і електричних полів, він знав, що це були не просто дивні промені світла, - це були заряджені частинки.

І якщо вам цікаво, як ці електрони можуть літати незалежно від своїх атомів, то це завдяки процесу іонізації, в якому - в даному випадку - електричний заряд змінює структуру атома, вибиваючи електрони в простір поблизу.

Зокрема, завдяки тому що електронами так просто маніпулювати і рухати, стали можливі електричні схеми. Електрони в мідному дроті рухаються подібно поїзду від одного атома міді до іншого - тому-то провід передається по дроту. Атоми, як ми вже сказали, це не цілісні шматочки речовини, а системи, які можна модифікувати або розібрати на структурні елементи.

Відкриття електрона показало, що потрібно дізнатися про атомах побільше. Робота Томсона показала, що електрони негативно заряджені - але він знав, що атоми самі по собі не мають загального заряду. Він припустив, що вони повинні містити загадкові позитивно заряджені частинки, щоб компенсувати негативно заряджені електрони.

Почала 20 століття виявили ці позитивно заряджені частинки і в той же час розкрили внутрішню структуру атома - схожу на сонячну систему.

Ернест Резерфорд і його колеги взяли дуже тонку металеву фольгу і поставили її під промінь позитивно зарядженого випромінювання - потік крихітних часток. Велика частина потужного випромінювання пройшла наскрізь, як і вважав Резерфорд, враховуючи товщину фольги. Але, на подив учених, частина його відскочила.

Резерфорд припустив, що атоми в металевій фользі повинні містити невеликі щільні області з позитивним зарядом - ніщо інше не мало б достатній потенціал, щоб відобразити таке потужне випромінювання. Він виявив позитивні заряди в атомі - і одночасне довів, що всі вони пов'язані в щільній масі, на відміну від електронів. Іншими словами, він продемонстрував існування щільного ядра в атомі.

Залишалася проблема. До того моменту вже могли розрахувати масу атома. Але з огляду на дані про те, якими важкими повинні були бути частинки ядра, ідея того, що всі вони позитивно заряджені, не мала сенсу.

«Вуглець має шість електронів і шість протонів в ядрі - шість позитивних зарядів і шість негативних зарядів, - пояснює Кліфф. - Але ядро \u200b\u200bвуглецю важить шість протонів, воно важить еквіваленту 12 протонів ».

Спочатку припустили, що в ядрі є шість інших ядерних частинок з масою протона, але заряджених негативно: нейтрони. Але ніхто не зміг це довести. Насправді, нейтрони не могли знайти до 1930-х років.

Кембриджський фізик Джеймс Чедвік відчайдушно намагався відкрити нейтрон. Він працював над цією теорією багато років. У 1932 році йому вдалося здійснити прорив.

За кілька років до цього інші фізики експериментували з радіацією. Вони запускали позитивно заряджене випромінювання - того типу, який використовував Резерфорд в пошуках ядра - в атоми берилію. Берилій випускав власну радіацію: випромінювання, яке не було заряджено позитивно або негативно і могло проникати глибоко в матеріал.

До цього часу інші з'ясували, що гамма-випромінювання було нейтральним і проникало глибоко, тому фізики вважали, що саме його випускають атоми берилію. Але Чедвік так не вважав.

Він самостійно провів нове випромінювання і направив його на речовина, яке, як він знав, було багатим на протони. Несподівано виявилося, що протони були вибиті з матеріалу немов би частинками з ідентичною масою - ніби кульки для більярду іншими кульками.

Гамма-випромінювання не може відображати протони таким чином, тому Чедвік вирішив, що шукані частки повинні мати масу протона, але інший електричний заряд: і це нейтрони.

Всі основні частки атома були знайдені, але на цьому історія не закінчується.

Хоча ми дізналися про атомах багато більше, ніж знали раніше, їх було важко візуалізувати. У 1930-х роках ніхто не мав їх знімками - і багато людей хотіли їх побачити, щоб прийняти їх існування.

Важливо відзначити, втім, що методи, використовувані вченими на кшталт Томсона, Резерфорда та Чедвіка, проклали шлях до нового обладнання, яке врешті-решт допомогло нам зробити ці знімки. Пучки електронів, які Томсон генерував у своєму експерименті з трубкою Крукса, виявилися особливо корисними.

Сьогодні подібні пучки генеруються електронними мікроскопами, і найпотужніший з таких мікроскопів може насправді робити знімки окремих атомів. Це тому, що електронний пучок має довжиною хвилі в тисячі разів коротше пучка світла - настільки короткою, по суті, що хвилі електронів можуть відбиватися від крихітних атомів і видавати картинку, чого не можуть світлові пучки.

Ніл Скіппер з Університетського коледжу в Лондоні каже, що такі зображення корисні для людей, які хочуть вивчати атомну структуру спеціальних речовин - на зразок тих, що використовуються у виробництві батарей для електромобілів, наприклад. Чим більше ми знаємо про їх атомну структуру, тим краще нам вдається проектувати батареї, робити їх ефективними і надійними.

Можна також зрозуміти, як виглядають атоми, просто тикнув в них. Так, по суті, працює атомно-силова мікроскопія.

Ідея в тому, щоб піднести кінчик надзвичайно малого зонда до поверхні молекули або речовини. При достатній близькості зонд буде чутливий до хімічною структурою того, на що вказує, і зміна опору в міру руху зонда дозволить вченим зробити знімки, наприклад, окремої молекули.

Скіппер додає, що багато атомні вчені досліджують, як структура речей змінюється при впливі високого тиску або температури. Більшість людей знає, що коли речовина нагрівається, воно часто розширюється. Тепер можна виявити атомні зміни, які відбуваються при цьому, що часто виявляється корисним.

«При нагріванні рідини можна помітити, як її атоми приймають неупорядковану конфігурацію, - каже Скіппер. - Ви можете побачити це безпосередньо з структурної карти ».

Скіппер і інші фізики також можуть працювати з атомами, використовуючи нейтронні пучки, вперше виявлену Чедвиком в 1930-х.

«Ми запускаємо багато пучків нейтронів в зразки матеріалів, і з виникає паттерна розсіювання можна зрозуміти, що ви розсіювати нейтрони в ядрах, - говорить він. - Можна грубо прикинути масу і розмір об'єкта, який просвічувався ».

Але атоми не завжди просто знаходяться там, в стабільному стані, чекаючи, поки їх вивчать. Іноді вони розпадаються - тобто є радіоактивними.

Існує безліч природних радіоактивних елементів. Цей процес генерує енергію, яка лягла в основу ядерної енергетики - і ядерних бомб. Фізики-ядерники, як правило, намагаються краще зрозуміти реакції, при яких ядро \u200b\u200bпроходить через фундаментальні зміни на кшталт цих.

Лаура Харкнесс-Бреннан з університету Ліверпуля спеціалізується на вивченні гамма-променів - типу випромінювання, що випускається розпадаються атомами. Радіоактивний атом певного типу випускає особливу форму гамма-променя. Це означає, ви можете ідентифікувати атоми, тільки реєструючи енергію гамма-променів - цим, власне, Харкнесс-Бреннан і займається в своїй лабораторії.

«Типи детекторів, які ви повинні використовувати, представлені детекторами, які дозволять вам вимірювати одночасно присутність випромінювання і енергії радіації, яка була відкладена, - каже вона. - Все тому, що у всіх ядер є особливий відбиток ».

Оскільки в області, де була виявлена \u200b\u200bрадіація, можуть бути присутніми всі типи атомів, особливо після великої ядерної реакції, важливо точно знати, які радіоактивні ізотопи присутні. Таке виявлення зазвичай проводиться на ядерних станціях або в зонах, де сталася ядерна катастрофа.

Харкнесс-Бреннан і її колеги зараз працюють над системами виявлення, які можна розмістити в таких місцях, щоб показати в трьох вимірах, де може бути присутнім радіація в конкретному приміщенні. «Вам потрібні техніки і інструменти, які дозволять скласти тривимірну карту простору і підкажуть, де в цій кімнаті, в цій трубі радіація», - говорить вона.

Також можна візуалізувати випромінювання в «камері Вільсона». В рамках цього спеціального експерименту охолоджений до -40 градусів за Цельсієм спиртовий пар розпорошується хмарою над радіоактивним джерелом. Заряджені частинки радіації, що летять від джерела випромінювання, вибивають електрони з молекул спирту. Спирт конденсується в рідину поруч із доріжкою випромінюваних частинок. Результати такого типу виявлення вражають.

Ми мало працювали безпосередньо з атомами - хіба що зрозуміли, що це прекрасні складні структури, які можуть зазнавати дивовижні зміни, багато хто з яких відбуваються в природі. Вивчаючи атоми таким чином, ми покращуємо власні технології, витягаємо енергію з ядерних реакцій і краще розуміємо природний світ навколо нас. Ми також отримали можливість захищати себе від радіації і вивчати, як змінюються речовини в екстремальних умовах.

«З огляду на, наскільки малий атом, просто неймовірно, як багато фізики ми можемо витягти з нього», - влучно зауважує Харкнесс-Бреннан. Все, що ми бачимо навколо себе, складається з цих найдрібніших частинок. І добре знати, що вони там є, оскільки саме завдяки їм все навколо стало можливим.

За матеріалами BBC

Теорія Дж. Дальтона

Першим дійсно науковим обгрунтуванням атомістичної теорії, переконливо продемонстрував раціональність і простоту гіпотези про те, що всякий хімічний елемент складається з найдрібніших частинок, з'явилася робота англійського шкільного вчителя математики Дж.Дальтона (1766-1844), стаття якого, присвячена цій проблемі, з'явилася в 1803 . Атомні постулати Дальтона мали ту перевагу перед абстрактними міркуваннями давньогрецьких атомістів, що його закони дозволяли пояснити і пов'язати між собою результати реальних дослідів, а також передбачити результати нових експериментів. Він постулював, що: 1) всі атоми одного і того ж елемента тотожні в усіх відношеннях, зокрема, однакові їх маси; 2) атоми різних елементів мають неоднакові властивості, зокрема, неоднакові їх маси; 3) в з'єднання, на відміну від елемента, входить певна ціле число атомів кожного зі складових його елементів; 4) в хімічних реакціях може відбуватися перерозподіл атомів, але жоден атом не руйнується і створюється знову. (Насправді, як з'ясувалося на початку 20 ст., Ці постулати не цілком строго виконуються, тому що атоми одного і того ж елемента можуть мати різні маси, наприклад водень має три такі різновиди, звані ізотопами; крім того, атоми можуть зазнавати радіоактивні перетворення і навіть повністю зруйнуватися, але не в хімічних реакціях, що розглядалися Дальтоном.) Заснована на цих чотирьох постулатах атомна теорія Дальтона давала найпростіше пояснення законів постійних і кратних відносин. Однак вона не давала ніяких уявлень про будову самого атома.

броунівський рух

Шотландський ботанік Роберт Броун в 1827 році проводив дослідження пилку рослин. Він, зокрема, цікавився, як пилок бере участь в процесі запліднення. Якось він розглядав під мікроскопом виділені з клітин пилку зважені у воді подовжені цитоплазматичні зерна. Несподівано Броун побачив, що дрібні тверді крупинки, які ледь можна було розгледіти в краплі води, безперервно тремтять і пересуваються з місця на місце. Він встановив, що ці рухи, за його словами, «не пов'язані ні з потоками в рідини, ні з її поступовим випаровуванням, а притаманні самим частинкам». Спостерігалося Броуном явище назвали «броунівським рухом». Пояснення броунівського руху рухом невидимих \u200b\u200bмолекул було дано тільки в останній чверті XIX ст., Але далеко не відразу було прийнято усіма вченими. У 1863 році викладач нарисної геометрії Людвіг Крістіан Вінер (1826-1896) припустив, що явище пов'язане з коливальними рухами невидимих \u200b\u200bчастинок.

відкриття електрона

Реальне існування молекул було остаточно підтверджено в 1906 році дослідами по вивченню закономірностей броунівського руху французького фізика Жана Перрена.

У період, коли Перрен виконував свої дослідження катодних і рентгенівських променів, ще не було вироблено єдиної думки щодо природи катодних променів, що випускаються негативним електродом (катодом) у вакуумній трубці при електричному розряді. Деякі вчені вважали, що ці промені є різновидом світлового випромінювання, проте в 1895 році дослідження Перрена показали, що вони є потоком негативно заряджених частинок. Атомна теорія стверджувала, що елементи складені з дискретних частинок, званих атомами, і що хімічні сполуки складаються з молекул, частинок більшого розміру, що містять два або більше атомів. До кінця XIX в. атомна теорія отримала широке визнання серед вчених, особливо серед хіміків. Однак деякі фізики вважали, що атоми і молекули - це не більше ніж фіктивні об'єкти, які введені з міркування зручності і корисні при чисельній обробці результатів хімічних реакцій.

Джозеф Джон Томсон, модифікувавши експеримент Перрена, підтвердив його висновки і в 1897 році визначив найважливішу характеристику цих частинок, вимірявши ставлення їх заряду до маси по відхиленню в електричному і магнітному полях. Маса виявилася приблизно в 2 тис. Разів менше маси атома водню, найлегшого серед всіх атомів. Незабаром стало поширюватися думка, що ці негативні частинки, названі електронами, являють собою складову частину атомів.

Процес пізнання складається таким чином, що блискучі здогади і великі теорії, появі яких ми зобов'язані творчим геніям, через деякий час стають чи не тривіальними фактами, які більшістю людей приймається на віру. Чи багато хто з нас могли б самостійно, на основі спостережень і роздумів, здогадатися, що Земля кругла або що Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки, і нарешті, що існують атоми і молекули? З висоти сучасної науки основні положення атомно-молекулярної теорії виглядають прописними істинами. Давайте, однак, відвернемося від давно відомих наукових результатів, поставимо себе на місце вчених минулого і спробуємо дати відповідь на два головних питання. По-перше, з чого складаються речовини? По-друге, чому речовини бувають різними і чому одні речовини можуть перетворюватися в інші? На вирішення цих складних питань наука вже витратила понад 2 000 років. В результаті з'явилася атомно-молекулярна теорія, основні положення якої можна сформулювати наступним чином.

• 1. Всі речовини складаються з молекул. Молекула - найменша частинка речовини, що володіє його хімічними властивостями.
• 2. Молекули складаються з атомів. Атом - найменша частка елемента в хімічних сполуках. Різним елементам відповідають різні атоми.
• 3. Молекули і атоми знаходяться в безперервному русі.
• 4. При хімічних реакціях молекули одних речовин перетворюються в молекули інших речовин. Атоми при хімічних реакціях не змінюються.

Як же вчені здогадалися про існування атомів?

Атоми були придумані в Греції в V ст. до н. е. Філософ Левкипп (500-440 до н. Е.) Задався питанням, чи можна кожну частинку матерії, яка б мала вона не була, розділити на ще більш дрібні частинки. Левкіпп вважав, що в результаті такого поділу можна отримати настільки малу частку, що подальший розподіл стане неможливим.

Учень Левкиппа філософ Демокріт (460-370 до н. Е.) Назвав ці крихітні частинки «атомами» (атомос - неподільний). Він вважав, що атоми кожного елемента мають особливі розміри і форму і що саме цим пояснюються відмінності у властивостях речовин. Речовини, які ми бачимо і відчуваємо, утворюються при з'єднанні між собою атомів різних елементів, і, змінивши природу цього з'єднання, можна одне речовина перетворити в інше.

Демокріт створив атомну теорію майже в сучасному вигляді. Однак ця теорія була лише плодом філософських роздумів, не пов'язаних з природними явищами і процесами. Вона не була підтверджена експериментально, оскільки стародавні греки взагалі не проводили експериментів, вони ставили роздуми вище спостережень.

Перший експеримент, що підтверджує атомну природу речовини, було проведено лише через 2000 років. У 1662 р ірландський хімік Роберт Бойль (1627-1691) при стисненні повітря в U-подібній трубці під тиском стовпчика ртуті виявив, що об'єм повітря в трубці обернено пропорційний тиску:

Французький фізик Едм Маріотт (1620-1684) підтвердив це співвідношення через 14 років після Бойля і зауважив, що воно виконується тільки при постійній температурі.

Результати, отримані Бойл і Маріоттом, можна пояснити, тільки якщо визнати, що повітря складається з атомів, між якими є порожній простір. Стиснення повітря обумовлено зближенням атомів і зменшенням обсягу порожнього простору.

Якщо гази складаються з атомів, можна допустити, що тверді речовини і рідини теж складаються з атомів. Наприклад, вода при нагріванні кипить і перетворюється на пару, яка, подібно до повітрю, можна стиснути. Значить, водяна пара складається з атомів. Але якщо водяна пара складається з атомів, чому рідка вода і лід не можуть складатися з атомів? А якщо це справедливо для води, це може бути справедливо і для інших речовин.

Таким чином, експерименти Бойля і Маріотта підтвердили існування найдрібніших частинок речовини. Залишалося з'ясувати, що з себе представляють ці частинки.

Протягом наступних 150 років зусилля хіміків були спрямовані в основному на встановлення складу різних речовин. Речовини, які розкладалися на менш складні речовини, були названі сполуками (складними речовинами), наприклад вода, вуглекислий газ, залізна окалина. Речовини, які не можна розкласти, назвали елементами (простими речовинами), наприклад водень, кисень, мідь, золото.

У 1789 р великий французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє (1743-1794) опублікував знамениту книгу «Елементарний курс хімії» (Traite elementaire de chimie), в якій систематизував накопичені на той час знання з хімії. Зокрема, він навів список всіх відомих елементів, який містив 33 речовини. Два назви в цьому списку були принципово помилковими (світло і теплород), а вісім виявилися згодом складними речовинами (вапно, кремнезем та інші).

Розвиток техніки кількісних вимірів і методів хімічного аналізу дозволило визначати співвідношення елементів в хімічних сполуках. Французький хімік Жозеф Луї Пруст (1754-1826) після ретельних експериментів з рядом речовин встановив закон сталості складу.

I Всі з'єднання, незалежно від способу отримання, містять еле. менти в суворо визначених вагових пропорціях.

Так, наприклад, сірчистий газ, одержуваний спалюванням сірки, дією кислот на сульфіти або будь-яким іншим способом, завжди містить 1 вагову частину (масову частку) сірки і 1 вагову частину кисню.

Опонент Пруста, французький хімік Клод Луї Бертолле (1748-1822), навпаки, стверджував, що склад з'єднань залежить від способу їх отримання. Він вважав, що, якщо в реакції двох елементів один з них взято в надлишку, то і в образующемся з'єднанні вагова частка даного елемента буде також більше. Пруст, однак, довів, що Бертолле отримав помилкові результати через неточного аналізу і використання недостатньо чистих речовин.

Дивно, але помилкова для свого часу ідея Бертолле в даний час покладена в основу великого наукового напрямку в хімії - хімічного матеріалознавства. Головне завдання матеріалознавців - отримання матеріалів із заданими властивостями, а основний метод - використання залежності складу, структури і властивостей матеріалу від способу отримання.

Закон сталості складу, відкритий Прустом, мав фундаментальне значення. Він привів до думки про існування молекул і підтвердив неподільність атомів. Справді, чому в сірчистому газі S0 2 вагове (масове) співвідношення сірки і кисню завжди 1: 1, а не 1,1: 0,9 або 0,95: 1,05? Можна припустити, що при утворенні частки сірчистого газу (згодом ця частка була названа молекулою) атом сірки з'єднується з певним числом атомів кисню, причому маса атомів сірки дорівнює масі атомів кисню.

А що відбувається, якщо два елементи можуть утворювати між собою кілька хімічних сполук? На це питання дав відповідь великий англійський хімік Джон Дальтон (1766-1844), який з експерименту сформулював закон кратних відносин (Закон Дальтона).

I Якщо два елементи утворюють між собою кілька з'єднань, то. в цих з'єднаннях маси одного елемента, що припадають на одиницю маси іншого елемента, відносяться як невеликі цілі числа.

Так, в трьох оксидах заліза на одиницю ваги (маси) кисню припадають 3,5, 2,625 і 2,333 вагових частин (масових часток) заліза відповідно. Відносини цих чисел такі: 3,5: 2,625 \u003d \u003d 4: 3; 3,5: 2,333 \u003d 3: 2.

Із закону кратних відносин слід, що атоми елементів з'єднуються в молекули, причому молекули містять невелику кількість атомів. Вимірювання масового змісту елементів дозволяє, з одного боку, визначати молекулярні формули сполук, а з іншого - знаходити відносні маси атомів.

Наприклад, при утворенні води одна вагова частина водню з'єднується з 8 ваговими частинами кисню. Якщо припустити, що молекула води складається з одного атома водню і одного атома кисню, виявиться, що атом кисню в 8 разів важче атома водню.

Розглянемо зворотну задачу. Ми знаємо, що атом заліза в 3,5 рази важче атома кисню. зі співвідношення

випливає, що в даному з'єднанні на два атома заліза доводиться три атома кисню, т. е. формула сполуки - Fe 2 0 3.

Міркуючи таким чином, Дальтон склав першу в історії таблицю атомних ваг елементів. На жаль, вона виявилася в багатьох відносинах невірної, оскільки при визначенні атомних ваг Дальтон часто виходив з неправильних молекулярних формул. Він вважав, що атоми елементів майже завжди (за рідкісним винятком) з'єднуються попарно. Формула води по Дальтону - АЛЕ. Крім того, він був упевнений, що молекули всіх простих речовин містять по одному атому.

Правильні формули води і багатьох інших речовин були визначені при дослідженні хімічних реакцій в газовій фазі. Французький хімік Жозеф Луї Гей-Люссак (1778-1850) виявив, що один об'єм водню реагує з одним об'ємом хлору і виходять два обсягу хлороводню; при електролітичному розкладанні води утворюються один об'єм кисню і два обсягу водню і т. д. Це емпіричне правило було опубліковано в 1808 р і отримало назву закону об'ємних відносин.

I Обсяги реагують газів ставляться один до одного і до об'ємів газо-. образних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

Сенс закону об'ємних відносин з'ясувався після великого відкриття італійського хіміка Амедео Авогадро (1776-1856), який сформулював гіпотезу (припущення), яка пізніше була названа законом Авогадро.

| У рівних обсягах будь-яких газів при постійній температурі і дав-? лення міститься однакове число молекул.

Це означає, що всі гази поводяться в деякому сенсі однаково і що обсяг газу при заданих умовах не залежить від природи (складу) газу, а визначається тільки числом частинок в даному обсязі. Вимірюючи об'єм, ми можемо визначити число часток (атомів і молекул) в газовій фазі. Велика заслуга Авогадро полягає в тому, що він зміг встановити просту зв'язок між спостерігається макроскопічної величиною (обсягом) і мікроскопічними властивостями газоподібних речовин (числом частинок).

Аналізуючи об'ємні співвідношення, знайдені Люссаком, і використовуючи свою гіпотезу (яку згодом назвали законом Авогадро), вчений встановив, що молекули газоподібних простих речовин (кисню, азоту, водню, хлору) двоатомні. Дійсно, при реакції водню з хлором обсяг не змінюється, отже число частинок також не змінюється. Якщо припустити, що водень і хлор одноатомни, в результаті реакції приєднання вихідний обсяг повинен зменшитися в два рази. Але після реакції обсяг не змінюється, значить, молекули водню і хлору містять по два атоми і реакція йде за рівнянням

Аналогічно можна встановити молекулярні формули складних речовин - води, аміаку, вуглекислого газу та інших речовин.

Як це не дивно, але сучасники не оцінили і не визнали висновки, зроблені Авогадро. Провідні хіміки того часу Дж. Дальтон і Йенс Якоб Берцеліус (1779-1848) заперечували проти припущення, що молекули простих речовин можуть бути двоатомні, оскільки вважали, що молекули утворюються тільки з різних атомів (позитивно і негативно заряджених). Під тиском таких авторитетів гіпотеза Авогадро була відкинута і поступово забута.

Лише майже через 50 років, в 1858 році італійський хімік Станіслао Канниццаро \u200b\u200b(1826-1910) випадково виявив роботу Авогадро і зрозумів, що вона дозволяє чітко розмежувати поняття «атом» і «молекула» для газоподібних речовин. Саме Канниццаро \u200b\u200bзапропонував визначення атома і молекули, які наведені на початку цього параграфа, і вніс повну ясність в поняття «атомна вага» і «молекулярна вага». У 1860 р в м Карлсруе (Німеччина) відбувся Перший міжнародний хімічний конгрес, на якому після довгих дискусій основні положення атомно-молекулярної теорії отримали загальне визнання.

Підведемо підсумки. У розвитку атомно-молекулярного вчення можна виділити три фундаментальні етапи.

• 1. Народження атомного вчення, поява ідеї (гіпотези) про існування атомів (Левкіпп і Демокріт).
• 2. Перше експериментальне підтвердження атомної теорії в дослідах зі стисненим повітрям (закон Бойля-Маріотта).
• 3. Відкриття важливу закономірність про те, що в молекулі атоми різних елементів присутні в певних вагових співвідношеннях (закон кратних відносин Дальтона), і встановлення формул газоподібних простих речовин (гіпотеза Авогадро).

Цікаво, що, коли було висловлено припущення про існування атомів, теорія була попереду експерименту (спочатку атоми були придумані, а через 2000 років це було доведено). У разі молекул експеримент випередив теорію: ідея існування молекул була висунута для пояснення експериментального закону кратних відносин. У цьому сенсі історія атомно-молекулярної теорії - характерний приклад, який відображає різні шляхи наукових відкриттів.

Альберт Ейнштейн

Нерідко заслугою Альберта Ейнштейна вважають лише створення теорії відносності. З точки зору історії науки така оцінка невірна і несправедлива по відношенню до його чудовим досягненням в інших областях фізики. "Батько теорії відносності" був вченим з виключно багатосторонніми інтересами.

У бернські роки, за часів самої бурхливої \u200b\u200bтворчої активності Ейнштейна, майже одночасно з'явилися на світ перші результати його досліджень, що мали величезне значення для подальшого розвитку фізики. Особливо плідним виявився 1905 рік, коли Ейнштейну було 26 років. Хронологічно першими були його дослідження з молекулярної фізики.

Роботи Ейнштейна по тепловому руху присвячені головним чином проблеми статистичного опису руху атомів і молекул і взаємозв'язку між рухом і теплотою. У цих роботах Ейнштейн прийшов до висновків, що істотно розширюють результати, отримані геніальним австрійським фізиком Людвігом Больцманом і американцем Уіллардом Гиббсом. Основна заслуга Ейнштейна полягала не стільки в подоланні математичних труднощів, скільки в більш глибокої постановці фізичних питань. Він керувався при цьому ідеєю Больцмана про те, що в основі математичної трактування вчення про теплоту повинно лежати поняття ймовірності ( "принцип Больцмана").

Всі ці питання були розроблені Ейнштейном самостійно, тому ми маємо право разом з Максом Борном говорити про те, що "Ейнштейн відкрив заново всі істотні риси статистичної механіки". Молодий дослідник взявся за свої роботи з молекулярної фізики з твердим наміром підтвердити надійними результатами атомістичну теорію, в правильності якої він був переконаний, хоча тоді вона багатьом здавалося спірним.

У центрі уваги Ейнштейна в його дослідницькій роботі по теорії теплоти знаходилося броунівський молекулярний рух. У 1827 році англійський ботанік Роберт Броун проводив спостереження квіткового пилку під мікроскопом; при цьому він виявив, що зважені в краплі рідини частинки безперервно здійснюють безладні, зигзагоподібні рухи. Такий рух частинок - пізніше назване на ім'я відкрив його вченого "броунівським рухом" - відбувається тим інтенсивніше, чим менше маса часток і чим тепліше рідина, в якій вони знаходяться.

Протягом кількох десятиліть вчені безуспішно намагалися знайти пояснення цьому загадковому явищу. У 1880-х роках - за два десятиліття до Ейнштейна - один французький фізик припустив, що броунівський рух є результатом безладних ударів, які відчувають зважені частинки з боку невидимих \u200b\u200bпід мікроскопом молекул рідини. Однак це дотепне пояснення не мало ні математичного обгрунтування, ні експериментального підтвердження.

У статті "Про рух завислих у спокійній рідини частинок, що витікає з молекулярно-кінетичної теорії", Ейнштейн за допомогою статистичних методів показав, що між швидкістю руху зважених часток, їх розмірами і коефіцієнтом в'язкості використовуваної рідини існує кількісна взаємозв'язок, яка може бути експериментально перевірена.

Ейнштейн, який тоді ще не був знайомий з попередніми роботами по броунівському русі, вважав, що рух видимих \u200b\u200bпід мікроскопом частинок являє собою прояв руху мікроскопічно невидимих \u200b\u200bмолекул рідини. Ейнштейн надав закінчену математичну форму статистичного пояснення цього явища, вже сформульованому до нього польським фізиком Маріаном фон Смолуховським. "Ейнштейнівської закон броунівського руху" був повністю підтверджений в 1908 році дослідами французького фізика Жана Перрена, який отримав за ці роботи в 1926 році Нобелівську премію.

Роботи Ейнштейна з молекулярної фізики довели правильність уявлення про те, що теплота є форма енергії неупорядкованого руху молекул. Одночасно вони підкріпили атомістичну гіпотезу, згідно з якою матерія - в фізичному розумінні - складається з молекул і атомів.

Запропонований Ейнштейном метод визначення розмірів молекул і його формула для броунівського руху дозволяють визначити число молекул. До цього фізики були змушені обходитися наближеними способами, запропонованими в 1865 році австрійським фізиком Лошмідт; тепер же завдяки дослідженням Ейнштейна вони могли оперувати точними математичними методами.

Поряд з чисто науковою цінністю дослідження Ейнштейна по тепловому руху мали велике теоретико-пізнавальне значення. Вони показали, що негативне або скептичне ставлення деяких дослідників природи до атомістичної теорії нічим не виправдане. Отримане Ейнштейном доказ правильності атомистических поглядів було настільки переконливим, що хімік Вільгельм Оствальд, який до цього разом з Ернстом Махом був затятим противником вчення про атомах, тепер, за його власними словами, "був звернений в атомну віру".

Вирішальний внесок, який Ейнштейн вніс у перемогу атомістики, слід вважати однією з його найбільших наукових заслуг. У цьому він є гідним наступником великих матеріалістів античності: Демокрита, Епікура і Лукреція.

Фрідріх Гернек, 1984 рік