§ 36. О некоторых явлениях, подтверждающих основные положения молекулярно-кинетической теории

Под электронным микроскопом можно рассмотреть и сфотографировать отдельные крупные молекулы, например молекулы белка, имеющие диаметр около см. С помощью созданных в последнее время сверхмикроскопов (электронных проекторов) оказалось возможным видеть уже и менее крупные молекулы и даже отдельные атомы. Возможность прямого наблюдения индивидуальных молекул и атомов является исключительно наглядным и совершенно неоспоримым доказательством реального существования этих частиц.

Вполне убедительным косвенным подтверждением того, что все физические тела построены из молекул, отделенных друг от друга промежутками, служит изменяемость объема газа, например его сжимаемость. Очевидно, что уменьшение объема возможно только благодаря взаимному сближению составляющих газ молекул за счет сокращения промежутков между ними.

Наличие сил притяжения и отталкивания между молекулами отчетливо обнаруживается в свойстве твердых тел сохранять свою

форму. Даже для небольшой деформации твердого тела необходимо приложить значительное усилие. Понятно, что растяжению тела препятствуют силы притяжения, а сжатию — силы отталкивания между молекулами.

Еще большее усилие потребуется для того, чтобы разрушить тело, например разломать его на части. Очевидно, что это усилие необходимо для преодоления сил сцепления между молекулами, для удаления молекул друг от друга на расстояние, при котором силы сцепления становятся исчезающе малыми. Невозможность восстановить разломанное тело путем простого составления его частей по соответствующим поверхностям излома указывает на то, что силы сцепления действуют на очень малых расстояниях. Дело в том, что поверхности излома всегда оказываются более или менее шероховатыми, причем размеры шероховатостей значительно превосходят размер молекул (рис. 68,а; молекулы изображены точками). Поэтому у соединяемых частей тела (1 и 2) лишь немногие молекулы сближаются на расстояние, достаточное для действия сил сцепления.

Рис. 68

Подавляющее же большинство молекул находится слишком далеко друг от друга, так что силы сцепления между ними не действуют. Если поверхности излома очень гладкие, то при их соединении уже большинство молекул сблизится на расстояние действия сил сцепления (рис. 68, б), что обеспечит довольно прочное «слипание» частей тела. Опыт показывает, что, например, две тщательно отполированные стеклянные пластинки, приложенные одна к другой, слипаются настолько прочно, что для их разъединения требуется усилие около .

Очевидно, что сварка, спайка и склейка твердых тел также основаны на действии сил сцепления. Жидкий металл (или клей) заполняет все пространство между соединяемыми поверхностями. Поэтому после затвердевания металла (клея) все молекулы в зоне соединения оказываются сближенными между собой на расстояние, достаточное для действия сил сцепления.

Непрерывное хаотическое движение молекул наиболее наглядно обнаруживается в явлениях диффузии и броуновского движения.

Если поместить капельку брома на дно высокого стеклянного сосуда, то в результате ее испарения через несколько минут около дна

сосуда образуется слой пара брома, имеющий темно-бурый цвет. Этот пар довольно быстро распространяется кверху, перемешиваясь с воздухом, так что через час бурый столбик смеси газов в сосуде достигнет 30 см. Очевидно, что перемешивание воздуха с паром брома произошло не под влиянием силы тяжести, а наоборот, вопреки действию силы тяжести, так как первоначально бром располагался ниже воздуха, а плотность пара брома приблизительно в 4 раза больше, чем воздуха. В данном случае перемешивание могло быть вызвано только хаотическим движением молекул, в процессе которого молекулы брома распространялись между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — между молекулами пара брома. Рассмотренное явление называется диффузией.

В 1827 г. английский ботаник Броун, исследуя под микроскопом жидкие препараты, случайно обнаружил следующее интересное явление. Взвешенные в жидкости мельчайшие твердые частички совершали быстрые беспорядочные движения, как бы перескакивая с места на место. В результате таких скачков частички описывали зигзагообразные траектории самой причудливой формы. В дальнейшем это явление неоднократно наблюдалось как самим Броуном, так и другими исследователями в различных жидкостях и с различными твердыми частичками. Чем меньше был размер частичек, тем интенсивнее они двигались. Описанное явление получило название броуновского движения.

Рис. 69

Броуновское движение можно наблюдать, например, в капле воды, слегка подчерненной тушью или подбеленной молоком, пользуясь микроскопом с пятисоткратным увеличением. Диаметр броуновской частицы составляет в среднем наибольший же допустимый ее диаметр

На рис. 69 представлена зарисовка траектории одной из броуновских частиц. Местоположение этой частицы отмечалось через каждые 30 с черными точками.

Причина броуновского движения кроется в хаотическом движении молекул. Ввиду трго, что броуновская частица имеет малый размер (примерно лишь в сотни раз больший диаметра молекулы), она может заметно перемещаться под действием одновременных одинаково направленных ударов нескольких молекул. В силу хаотичности движения молекул их удары о броуновскую частичку оказываются обычно нескомпенсированными: с разных сторон в частичку ударяет различное количество молекул, причем сила удара отдельных молекул также не вполне одинакова. Поэтому частичка получает преимущественный толчок то с одной, то с другой стороны и буквально мечется в разные стороны в поле зрения микроскопа. Таким образом, броуновские частички

воспроизводят хаотическое движение самих молекул, только движутся они значительно медленнее молекул благодаря своей сравнительно большой массе.

Броуновское движение является как бы увеличенным по масштабу, но замедленным по темпу воспроизведением теплового движения молекул.

Броуновское движение можно наблюдать и в газе, если в нем взвешены достаточно мелкие твердые или жидкие частички, как это имеет место, например, в задымленном или запыленном воздухе, освещенном солнечными лучами.

Один из методов определения постоянной Авогадро примененный Перреном, был основан на наблюдении броуновского движения. Значение оказалось равным молекул на моль. Более точные измерения, выполненные впоследствии другим методом, дали для постоянной Авогадро общепринятое сейчас значение . Напомним, что под молем (моль) понимается количество вещества, масса которого в граммах равна его относительной молекулярной массе. Точное определение моля дано в приложении II. Количество вещества в 1000 раз большее моля называется киломолем (кмоль).

На основе молекулярно-кинетической теории оказалось возможным объяснить многие свойства тел и понять физическую сущность ряда происходящих в них явлений (теплопроводность, внутреннее трение, диффузию, изменение агрегатного состояния и т. п.). Наиболее плодотворно применяется молекулярно-кинетическая теория к газам. Однако и в области жидкости и твердых тел эта теория позволила установить целый ряд важных закономерностей. Все эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в последующих главах второй части курса.