I. ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

1. РАЗВИТИЕ АТОМНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В НАУКЕ

Представление об атомном строении вещества возникло в глубокой древности. Наиболее последовательно атомное учение античной древности было изложено греческим философом и естествоиспытателем Демокритом (V век до нашего летосчисления). «Обыкновенно мы говорим, — писал он, — о сладком и горьком, о теплом и холодном, о цвете и запахе, в действительности же существуют атомы и пустое пространство». Различием атомов и особенностями их движения Демокрит объяснял многие свойства тел, а также закономерности некоторых явлений, известных из обыденной жизни. В древности взгляды Демокрита были широко распространены.

С падением классической цивилизации положение сильно изменилось. Получившая в средние века огромную власть христианская церковь не признавала материалистического по существу учения греческих атомистов. Для борьбы с атомизмом привлекались и светские власти.

В 1626 году высший суд королевской Франции специальным декретом запретил распространение учения об атомах под страхом смертной казни.

Возрождение атомизма связано с возникновением современного естествознания, которое зарождается в XVII веке. Мысль об атомном строении вещества высказывает французский философ Пьер Гассенди (1592—1655).

Сторонником атомной теории был известный английский физик Роберт Бойль (1627—1691).

Один из творцов современной физики Исаак Ньютон (1643—1727) считал, что все тела состоят из «имеющих массу, крепких, непроницаемых, движущихся частичек», т. е. из атомов. Работавший в Петербургской Академии наук знаменитый физик Даниил Бернулли (1700—1782) использовал представление об атомном строении газов для объяснения некоторых их свойств.

Необходимо, однако, отметить, что в XVII—XVIII веках атомные воззрения не были общепризнанными. Такой крупный ученый, как Рэне Декарт (1596—1650), считал, что основным свойством материи является ее способность неограниченно делиться, и потому отказывался признавать атомы. Материальных атомов не признавал и Г. В. Лейбниц (1646—1716).

Наиболее последовательно атомные представления в науке XVIII века были развиты великим русским ученым М. В. Ломоносовым (1711—1765). Ломоносов считал, что все тела состоят из мельчайших материальных частиц, которые он называл «элементами». «Элемент, — писал он, — есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел». На современном языке элементу Ломоносова эквивалентен атом. Наряду с элементами, как указывал Ломоносов, существуют более крупные частицы — корпускулы. «Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу». «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом,..». «Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе. От этого зависит бесконечное разнообразие тел».

В наше время вместо слова корпускула говорят молекула.

Указанное Ломоносовым деление частиц вещества на атомы и молекулы утвердилось в науке лишь много позднее.

Мельчайшие частицы вещества, согласно Ломоносову, находятся в движении. У различных тел, как утверждал он, частички «должны различаться массою, фигурой, движением».

Особенностями строения атомов и характером их движения Ломоносов объясняет многие свойства тел и, что особенно важно, правильно указывает природу теплоты.

Несмотря на успех, с которым было связано использование в науке учения об атомах, Ломоносову не удалось сделать это учение общепризнанным в физике.

Объясняется это тем, что физика в то время не достигла той степени развития, при которой в ней с необходимостью утверждаются атомные представления.

Дальнейшие успехи атомной теории некоторое время связываются скорее с развитием химии, нежели физики.

В начале XIX века английский химик Д. Дальтон (1766— —1844) на основании атомного учения объясняет наблюдаемые на опыте особенности химических превращений.

В физике атомная теория прочно утверждается лишь к середине XIX столетия.

В результате работ ученых разных стран при помощи атомных представлений удается объяснить многие свойства газов, закономерности происходящих в них процессов и, что чрезвычайно важно,

утвердить в науке взгляд на теплоту как на особый вид молекулярного движения.

Следует подчеркнуть, что победа учения о материальных атомах была достигнута лишь в результате ожесточенной борьбы. Физики-идеалисты отказывались признавать, что вещество в конечном счете состоит из материальных атомов. На протяжении всего XIX века они утверждали, что атомное учение — это только более или менее удобная гипотеза, а сами атомы — это «плод человеческой фантазии». Долгое время борьба за атомизм являлась центральным участком борьбы между материалистическим и идеалистическим мировоззрениями в науке. В эту борьбу за прогресс в науке внесли свой вклад передовые ученые разных стран. Особенно много было сделано в этот период для утверждения, атомного учения английским физиком К. Максвеллом (1831— 1879), немецким ученым Р. Клаузиусом (1822—1888), австрийцем Л. Больцманом (1844—1906), польским физиком М. Смолуховским (1872— 1917) и, наконец, французом Ж. Перреном (1870 — 1942). Именно с работами Ж. Перрена связано окончательное доказательство реальности материальных атомов.

Рис. 1. Положения частиц, совершающих броуновское движение, отмечаемые через равные промежутки времени.

Для доказательства реальности атомов и молекул Перрен воспользовался явлением, которое было открыто в 1826 г. Броуном. Изучая под микроскопом движение соков в растительных клетках, Броун обнаружил, что взвешенные в растительном соке мельчайшие твердые частички находятся в непрерывном хаотическом движении, названном впоследствии его именем. Броуновское движение не является результатом неравномерного нагрева жидкости или наличия в ней потоков, вызванных механическими сотрясениями.

Тщательные опыты убедили в том, что броуновское движение не прекращается ни при каких обстоятельствах. Если, наблюдая в микроскопе броуновское движение, фиксировать через равные небольшие промежутки времени положение одной из взвешенных в жидкости частиц, то мы получим характерную ломаную линию, подобную изображенной на рисунке 1. Эта линия не является истинной траекторией частицы, которая в действительности много сложнее. Броуновское движение — одна из причин причудливого движения взвешенных в воздухе пылинок. Движение это хорошо заметно в солнечном луче, падающем через щель в ставне в затемненную комнату. Еще знаменитый римский поэт Лукреций Кар

(ок. 99 - 55 гг. до нашего летосчисления) указывал, что это причудливое движение вызвано ударами атомов вещества.

Если тело, находящееся в жидкости, достаточно велико, то на единицу его поверхности за некоторый небольшой промежуток времени приходится в среднем одно и то же количество ударов молекул. Это приводит к тому, что, несмотря на беспорядочность движения молекул, их удары взаимно компенсируются и тело испытывает со всех сторон равномерное давление.

При уменьшении размеров тела подобная компенсация нарушается: в отдельные мгновения в частицу небольших размеров может ударяться большее количество молекул, движущихся в каком-то направлении, чем количество молекул, движущихся в противоположном направлении. Может случиться и так, что эти количества молекул будут примерно одинаковыми, но будут существенно разниться их скорости. В обоих случаях переданные молекулами импульсы оказываются нескомпенсированными и частица устремляется в направлении результирующего вектора количества движения. В следующее мгновение нескомпенсированными окажутся удары молекул, имеющих иное направление, и соответственно изменится направление движения частицы.

Таким образом, под влиянием беспорядочных ударов молекул взвешенные в жидкости частицы будут двигаться по очень сложной траектории, характерной для броуновского движения.

Перрен приготовил взвесь мельчайших зернышек гуммигута и мастики в воде и изучил свойства полученных эмульсий. Оказалось, что даже за длительное время не все частицы эмульсии оседают на дно сосуда, многие остаются взвешенными в жидкости, распределяясь так, что в нижних слоях жидкости в каждом кубическом сантиметре находится большее количество взвешенных частиц, чем в слоях, расположенных выше. Подсчитывая с помощью микроскопа число частиц в поле зрения прибора на разной высоте от дна сосуда и находя средние значения полученных величин, Перрен убедительно доказал, что распределение взвешенных частиц по высоте подчиняется той же закономерности, что и распределение частиц воздуха в земной атмосфере. Далее, наблюдение движений частиц убедило его в том, что броуновское движение — это «молекулярное движение так же точно, как инфракрасный свет, есть в такой же мере свет, как и свет ультрафиолетовый». Многочисленными расчетами, основанными на наблюдении особенностей движения частиц эмульсий, Перрен подтвердил реальность существования молекул и атомов и с полным основанием написал в заключение своего исследования, что «отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение к молекулярным гипотезам».

В настоящее время существуют способы прямого наблюдения молекул. Подобную возможность открыло изобретение электронного микроскопа. С помощью этого прибора удалось

сфотографировать наиболее крупные молекулы. На рисунке 2 изображена электронно-микроскопическая фотография вируса гриппа. Считают, что каждый из видимых в микроскоп шариков представляет собой сложную белковую молекулу.

Как мы видим, обогащение человеческого опыта и связанное с ним развитие науки привело к утверждению материалистического учения об атомах. В наши дни среди ученых уже не высказываются сомнения в реальности существования материальных атомов и молекул. Атомная теория позволила объяснить свойства газообразных, жидких и твердых тел, уже известные людям из опыта.

Рис. 2, Рисунок с фотографии молекул вируса гриппа, сделанной при помощи электронного микроскопа.

Более того, она позволила предсказать некоторые до того неизвестные свойства вещества.

Представление об атомно-молекулярном строении материи лежит в основе отдела физики, называемого молекулярной физикой. Молекулярная физика объясняет макроскопические свойства вещества в различных состояниях, а также закономерности, которым подчиняются превращения вещества из одного состояния в другое, на основании представления о молекулярной структуре вещества, характере движения атомов и молекул и силах, действующих между ними.

В молекулярной физике не рассматриваются явления, связанные с внутренним строением молекулы или атома. Эти явления рассматриваются в физической химии, физике атома и оптике.

Также не обсуждаются в молекулярной физике вопросы, связанные со строением атомного ядра и различными ядерными превращениями.