ВВЕДЕНИЕ

Изучая в курсе механики законы, управляющие движением тел, мы не интересовались, каким образом устроены эти тела, какими свойствами они обладают.

Тела обладают массой и имеют определенные размеры — вот все, что мы о них знали, и для изучения движения этого было вполне достаточно, так как только от этих свойств зависит результат действия сил на тело. Между тем очевидно, что размеры и масса тел не исчерпывают всех их свойств. Окружающие нас тела отличаются друг от друга не только размерами и массой, но и целым рядом других свойств. И если все эти другие свойства не существенны при рассмотрении механического движения, то остальные явления природы тесно связаны с ними. Свойства же тел зависят от того, как они устроены, из каких частей состоят, какие силы действуют между этими частями и т. д. Понятно поэтому, что вопрос о строении вещества является основным вопросом физики.

В настоящей, второй, части курса физики мы и сделаем первый шаг в изучении строения вещества, с тем чтобы в следующих частях еще более детально изучить этот важнейший вопрос естествознания, занимающий центральное место в современной науке.

Молекулярно-кинетические представления о веществе

Тела, с которыми мы встречаемся в обыдешюй жизни (в особенности твердые и жидкие тела), всегда кажутся нам сплошными, т. е. полностью заполненными составляющим их веществом. Наши органы чувств, на которые непосредственно действует окружающий нас внешний мир, устроены так, что сплошность, непрерывность вещества кажется нам основным и несомненным его свойством. Между тем ряд явлений, уже очень давно известных, свидетельствует о том, что- наши органы чувств, воспринимающие тела как сплошные, непрерывные, несомненно вводят нас в заблуждение относительно их истинных свойств.

Хорошо известно, например, что под внешним воздействием или под влиянием нагрева и охлаждения тела могут изменять свой объем — расширяться и сжиматься. В той или иной степени это

относится ко всем без исключения телам. Такое изменение объема тел трудно понять, если считать тела сплошными, если считать, что вещество, из которого состоит тело, заполняет весь его объем. Но его легко объяснить, по крайней мере качественно, если предположить, что тела на самом деле не таковы, какими они нам кажутся, т. е. не являются сплошными, а состоят из огромного числа очень маленьких частиц, настолько маленьких, что их нельзя увидеть не только невооруженным глазом, но и с помощью наилучшего микроскопа. Расположены эти частицы не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Если принять это предположение, то изменение объема тел можно объяснить тем, что изменяются расстояния между частицами. Называются эти мельчайшие частицы вещества молекулами (уменьшительное от латинского слова, означающего массу).

Представление о прерывном, молекулярном строении вещества зародилось еще в глубокой древности. Но долгое время оно было лишь догадкой выдающихся умов, некоторым гипотетическим предположением. В наше время оно стало стройной теорией, хорошо проверенной тысячами экспериментов. Множество прямых и косвенных доказательств реальности молекул позволяют считать молекулярные представления о строении вещества установленными с достоверностью, которая может конкурировать со степенью достоверности коперниковой системы.

Множество фактов заставляет нас считать, что между молекулами в веществе действуют силы отталкивания и притяжения, зависящие от расстояния между частицами. Это следует хотя бы из того, что, например, при сколько-нибудь заметном изменении объема твердого тела в нем возникают весьма значительные силы. Ясно, что растяжению тела препятствуют силы притяжения, а сжатию — силы отталкивания между его молекулами. Само существование трех агрегатных состояний вещества — твердого, жидкого и газообразного — указывает на существование межмолекулярных сил. В твердом и жидком состоянии молекулы притягиваются друг к другу настолько, что тела сохраняют свой объем, а в случае твердого тела — еще и форму. В газообразном же состоянии силы взаимодействия значительно меньше, так что газ заполняет весь предоставленный ему объем, как бы велик он ни был.

Этот последний факт (равно как и многие другие) указывает еще на одну важную особенность частиц вещества. Способность газа распространяться по всему объему сосуда, в котором он заключен, показывает, что молекулы газа находятся в постоянном движении. Ряд свойств газа показывает также, что эти движения молекул отличаются полной беспорядочностью, хаотичностью. Это значит, что не существует какого-либо направления для движения частиц, которое было бы преимущественным сравнительно с другими (более точное определение хаотичности молекулярных

движений будет дано ниже). Это хаотическое движение молекул носит название теплового движения. Свойство молекул вещества находиться в тепловом движении не является, конечно, особенностью именно газообразного состояния. Состояние вечного непрерывного движения в равной мере свойственно также молекулам жидкостей и твердых тел, в которых, однако, молекулярные движения имеют несколько иной характер, чем в газах.

Таким образом, вещество состоит из мельчайших частиц — молекул, которые взаимодействуют друг с другом и находятся в непрерывном, беспорядочном движении (тепловом движении).

В некоторых состояниях вещества (например, в плазме, в некоторых кристаллах) от молекул отрываются отрицательно заряженные частицы — электроны. При этом молекулы превращаются в положительно заряженные частицы — ионы. В этом случае в тепловом движении участвуют как ионы, так и электроны.

Что же собой представляют те частицы, из которых составлены все вещества?

Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства. Не имеет, например, смысла говорить о половине молекулы воды, и не потому, что молекула неделима, а потому, что если ее дробить, то получившиеся при этом частицы уже не будут частицами воды.

Сами молекулы могут состоять из более простых частиц — атомов. Молекула углекислого газа, например, состоит из трех атомов: одного атома углерода и двух — кислорода. Если различных видов молекул известно огромное число (миллионы), то различных атомов совсем немного. В настоящее время известно 105 различных видов атомов, причем в природе их встречается всего 88, а 17 получены в последние годы искусственным путем. Это атомы так называемых химических элементов. Немногие по числу атомы химических элементов, различным образом комбинируясь друг с другом, и образуют молекулы всего огромного разнообразия веществ в окружающем нас мире.

В некоторых случаях молекулы оказываются составленными из небольшого числа одинаковых атомов. Так устроены, например, в обычных условиях молекулы некоторых газов — кислорода водорода азота и др., состоящие из двух атомов соответствующего! химического элемента.

Мы упомянули здесь об «обычных условиях» потому, что молекулы можно расщепить на составляющие их атомы. Такой процесс расщепления молекул называется диссоциацией. Молекулы могут диссоциировать под действием высокой температуры и некоторых других внешних факторов.

Размеры молекул и атомов чрезвычайно малы. Если представить себе эти частицы в виде малых шариков, то, как это будет показано ниже, их радиус имеет численное значение порядка см.

Зато число частиц необычайно велико. В одном грамме воды, например, содержится молекул. Способы экспериментального определения размеров и числа молекул будут описаны в соответствующем месте курса.

Таковы в общих чертах основные представления молекулярно-кинетической теории строения вещества, лежащие в основе молекулярной физики, которой посвящена эта книга. Предметом молекулярной физики является изучение тех свойств вещества, которые обусловлены именно тем, что оно является совокупностью огромного числа движущихся молекул.

Как устроены атомы

В этой книге будут рассматриваться главным образом такие физические явления и процессы, для описания и объяснения которых достаточно знать о частицах вещества только то, что они малы и что их много. Эти явления можно объяснить и качественно, и количественно, если считать атомы (а из них составлены и молекулы) маленькими твердыми упругими шариками, отличающимися, например, от биллиардных шаров только своими размерами. На самом деле это, конечно, не соответствует действительности, но для рассматриваемых явлений это не существенно, так же как при изучении механических движений не играет роли тот факт, что тела состоят из отдельных частиц, а не являются сплошными.

Но в некоторых случаях мы все же не сможем обойтись такими простыми представлениями об атомах и должны будем учесть, что атом не является пределом деления вещества, чем-то, ни из чего не состоящим, как думали древние атомисты (слово «атом» и означает неделимый). Поэтому мы здесь кратко изложим современные представления о строении атомов, не приводя, однако, те экспериментальные и теоретические данные, которые приводят к этим представлениям. О них читатель узнает в других частях курса.

Существует множество фактов, указывающих на то, что в атомах содержатся электрически заряженные частицы. Прежде всего это следует из самого существования электрических и магнитных явлений. Как известно, электрические явления связаны с особум свойством тел — электрическим зарядом, а магнитные — с движущимися зарядами (электрическими токами). Так как носителями электрических и магнитных свойств всегда являются тела, а все тела в конечном счете состоят из атомов, то атомы непременно должны содержать движущиеся электрические заряды.

В настоящее время надежно установлен не только самый факт существования в атомах движущихся заряженных частиц, но столь же надежно выяснена и «архитектура» атома. Однако, прежде чем представить современную картину строения атомов, необходимо рассказать кое-что о тех законах, которые управляют

внутриатомными процессами. При изучении таких процессов выяснилось, что они не могут быть полностью описаны с помощью обычной, так называемой классической, механики. Более того, к ним, как оказалось, вообще неприменимы обычные наглядные представления о движении. В этом нет ничего удивительного, так как классическая механика родилась из наблюдений над движениями тел больших масштабов, которые мы можем видеть и ощущать. Частицы, из которых составлены атомы, малы даже по сравнению с самими атомами. Их размеры имеют порядок см, т. е. в сто миллионов раз меньше частицы, различимой в оптическом микроскопе. Массы же этих частиц лежат в пределах от 10 22 до Для сравнения укажем, что на лучших современных весах можно взвесить частицы, масса которых в раз больше.

Вся совокупность опытных данных показывает, что по характеру своего движения и по другим свойствам атомные частицы качественно отличаются от обычных тел, рассматриваемых в механике.

Частицы, образующие атомы, обладают особыми, так называемыми квантовыми, свойствами и подчиняются законам квантовой механики. Законы эти таковы, что нельзя дать точное и в то же время наглядное описание атомной системы и ее движений, такое описание, которое позволило бы нам представить себе ее геометрический и механический образы, с которыми и связано то, что называется наглядность. Поэтому мы вынуждены здесь пренебречь строгой точностью ради наглядности и дать грубую, заведомо неверную, но зато похожую на механическую, картину строения атома.

Согласно этой «механизированной» модели атом представляет собой миниатюрное подобие планетной системы. В центре ее расположено «солнце» — атомное ядро, которое заряжено положительно, а вокруг него вращаются «планеты» отрицательно заряженные частицы — электроны. Заметим, что электрический заряд, равный (по абсолютной величине) заряду электрона, является своеобразным «атомом» электрического заряда-, в природе не существует электрических зарядов, меньших заряда электрона, и все без исключения элементарные частицы, каковы бы ни были их свойства и природа (а таких частиц сейчас известно несколько десятков), либо вовсе не имеют заряда, либо обладают зарядом, численно равным или кратным заряду электрона кулона). Понятно, что любой электрический заряд — положительный или отрицательный — непременно кратен заряду электрона, так что заряд электрона может служить своеобразной единицей электрического заряда.

Электрические силы притяжения, действующие между ядром и электронами, удерживают электроны вокруг ядра И играют в атоме ту же роль, какую в «настоящих» планетных системах играют силы всемирного тяготения.

Атомы различных химических элементов содержат в себе различное число электронов. Этим они и отличаются друг от друга. Но не только этим. Так как в нормальных условиях атомы электрически нейтральны, то это значит, что сколько бы электронов ни содержалось в атоме того или иного элемента, их общий отрицательный заряд должен быть численно равен положительному заряду ядра атома. Значит, не только числом электронов, окружающих ядро, но и величиной заряда ядра отличаются атомы различных элементов друг от друга. Как мы увидим, это различие более важно, чем разница в числе электронов..

В периодической системе Д. И. Менделеева элементы расположены в порядке возрастания заряда атомных ядер. Порядковый номер элемента в этой таблице представляет собой число, показывающее, во сколько раз положительный заряд ядра атома больше заряда электрона. Заряд ядра по абсолютной величине равен где заряд электрона. Значит, порядковый номер элемента в таблице Менделеева непосредственно дает нам число электронов в атоме, когда он электрически нейтрален.

Это последнее замечание очень существенно, так как атом может содержать и больше и меньше электронов, чем это требуется для компенсации заряда ядра. Дело в том, что от атома можно оторвать один или несколько электронов, что обычно не требует особенно больших усилий потому, что внешние, наиболее удаленные от ядра электроны сравнительно слабо связаны с ядром. Ядро при таком отрыве электронов не претерпевает никаких изменений, но заряд его уже не компенсируется зарядом оставшихся электронов и атом перестает быть нейтральным, а превращается в положительно заряженный ион. С другой стороны, к нейтральному атому может и присоединиться «лишний» электрон, в результате чего атом станет отрицательно заряженным ионом, так как и в этом случае заряд ядра остается неизменным.

Ионизация атомов может быть осуществлена различными способами: трением, нагреванием, освещением тел, ударами быстрых частиц, в результате химической реакции и т. д. От атома можно оторвать и все его электроны, но в случае многоэлектронных атомов для такой полной ионизации требуется значительно более сильное воздействие, чем для отрыва только внешних электронов.

Частицы, образующие атомы, — электроны и ядра, — имеют примерно одинаковые размеры — около см, в то время как атом в целом имеет размеры около см. Значит, частицы, из которых состоит атом, много меньше, чем он сам, так же как размеры планет солнечной системы и самого Солнца малы по сравнению с радиусами планетных орбит.

Что касается масс атомных частиц, то ядра и электроны сильно отличаются друг от друга. Почти вся масса атома сконцентрирована в его ядре, так что на долю электронов остаются лишь

тысячные доли от массы атома. Так, например, масса ядра атома железа равна приблизительно а масса всех 26 электронов атома железа равна так что масса ядра железа более чем в 4000 раз превосходит массу электронов атома.

Атомное ядро, несмотря на его крайне малые размеры, тоже имеет сложное строение. Оно состоит из частиц двух видов: положительно заряженных протонов, заряд которых численно равен заряду электрона, и незаряженных нейтронов; обе эти ядерные частицы часто объединяют одним именем — нуклоны. Масса этих частиц почти одинакова и равна примерно Очевидно, что число протонов в ядре равно числу электронов в электронной оболочке атома (когда он нейтрален).

Число протонов в ядре равно, следовательно, порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, и именно оно определяет химическую индивидуальность атома, а не число электронов (последнее, как мы видели, можно легко изменить). Если, например, от атома железа оторвать один из его 26 электронов, то получится ион, но ион железа. Но если вырвать из ядра атома железа один протон (это тоже можно сделать, но совсем другими средствами), то это приведет к коренному изменению свойств атома — атом железа превратится в атом марганца.

Когда мы указывали выше, что в настоящее время известно различных атомов, то мы имели в виду, что существует атомов с различным числом протонов, различных химических элементов.

Что касается нейтронов, то в ядрах атомов одного и того же элемента их может быть и различное число. Так, например, в ядре атома железа помимо 26 протонов содержится 30 нейтронов (это наиболее распространенное ядро железа, число таких ядер в обычном железе составляет 91,7%). Но есть и такие ядра железа, в которых число нейтронов (при тех же 26 протонах) равно 28, 31 и 32. И всё это — ядра железа, и химические свойства атомов с такими различными ядрами совершенно одинаковы. Неодинаковы только их массы. Такие атомы, ядра которых отличаются друг от друга только числом нейтронов в них, называются изотопами. Если считать, что атомы-изотопы — это разные атомы, то их число значительно больше и в настоящее время достигает 1200. Следует заметить, что хотя атомы изотопов по своим химическим свойствам неотличимы друг от друга, некоторые свойства их ядер могут кардинальным образом различаться.

Ядерные частицы (протоны и нейтроны) связаны друг с другом в ядре особыми силами притяжения — ядерными силами, которые не являются ни электрическими, ни гравитационными. По своей величине они в миллионы раз превосходят те электрические силы, которые связывают между собой электроны и ядра. Именно ядерные силы и являются источником так называемой атомной энергии.

Важной особенностью этих сил является то, что они действуют только тогда, когда расстояние между нуклонами очень мало — порядка размеров ядра. С увеличением расстояния они резко уменьшаются. Поэтому ядерные силы часто называют короткодействующими силами.

Некоторые особенности квантовых систем

Как уже упоминалось, атомные частицы подчиняются особым законам — законам квантовой механики.

Главная особенность этих законов, отличающая их от законов классической физики, заключается в том, что величины, характеризующее движение частицы в атоме (например, энергия и импульс), могут принимать не любые, а только вполне определенные значения. Все же другие мыслимые значения запрещены. Так, например, если мы будем пользоваться описанной выше картиной строения атома (которая, правда, уже значительно устарела), то мы должны будем сказать, что радиусы орбит, на которых электроны обращаются вокруг ядра, могут иметь только определенные избранные значения, а на других орбитах электрон ни при каких условиях находиться не может.

Например, в простейшем из атомов, в атоме водорода, его единственный электрон в нормальных условиях вращается вокруг ядра на орбите радиусом см и ни при каких обстоятельствах не может находиться еще ближе к ядру. Это — самое малое из дозволенных природой расстояний, на которое электрон в атоме водорода может отстоять от ядра. Вторая, более удаленная от ядра «разрешенная» орбита имеет радиус в 4 раза больший, чем первая, третья — в 9 раз, четвертая — в 16 раз и т. д. Но находиться где-нибудь между этими дозволенными орбитами электрону «запрещено».

Правда, электрон может переходить с одной из дозволенных орбит на другую, но такой переход должен происходить весьма странным с точки зрения обычной логики образом: при переходе с одной орбиты на другую электрон не может находиться ни в одном из промежуточных положений. Переход должен происходить скачком. Электрон как бы исчезает на одной орбите и появляется на другой. Разумеется, частица, следующая законам обычной механики, таким образом «скакать» не может.

Впрочем, как указывалось выше, картина атома как некоторой планетоподобной системы на самом деле не отражает истинного строения атома, и от этой картины лучше вообще отказаться, заменив ее иной, не столь наглядной.

Орбитам нашей механической модели атома можно сопоставить определенные значения энергии электрона, так как, двигаясь под действием сил притяжения к ядру, электрон обладает

кинетической и потенциальной энергией, различной на разных орбитах. Поэтому вместо того, чтобы говорить об орбитах, на которых вращается электрон, часто говорят об энергетических уровнях, на которых он находится. То, что мы раньше называли переходом электрона с одной орбиты на другую, есть на самом деле не пространственный переход, а переход энергетический: переход из состояния с одним значением энергии в состояние с другой энергией. Разумеется, такие переходы тоже происходят скачком: энергия электрона изменяется сразу на определенную величину (квант), минуя все промежуточные значения. В классической механике такие скачки, конечно, немыслимы. В тех случаях, когда нам придется использовать представления о строении атома, мы будем пользоваться концепцией энергетических уровней, а не электронных орбит.

Рис. 1.

На рис. 1 представлена схема энергетических уровней электрона в атоме водорода. Каждая из горизонтальных линий условно представляет определенное значение энергии электрона. Нижний уровень соответствует наинизшей возможной энергии электрона, в атоме водорода она равна или 13,5 электрон-вольт На этом уровне электрон и находится в нормальных условиях (этот уровень соответствует ближайшей к ядру орбите в «планетарной» модели). Более высокие уровни — это тоже «дозволенные» уровни, - но электрон может попасть на них, только поглотив энергию извне. Но и поглотив энергию и перейдя на более высокий уровень, который в этом случае называется возбужденным, электрон недолго на нем остается. Через очень короткое время он вернется на нижний уровень. При этом испускается порция (квант) света, энергия которой равна энергии возбуждения. Число «дозволенных» уровней бесконечно велико, но чем выше уровни, тем ближе (в энергетическом смысле) они друг к другу, как бы сливаясь в энергетическую полосу.

Теперь становится понятной природа сил, действующих между молекулами или атомами. Поскольку атомы состоят из электрически заряженных частиц с зарядами обоих знаков, то между ними должны действовать как силы притяжения, так и силы отталкивания. Но силы эти имеют очень сложный характер, так как в каждом атоме содержится много заряженных частиц.