Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

Согласно определению (а определения понятий молекулы и атома были закреплены на съезде ученых-химиков в Карлсруэ в 1860 году), молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми свойствами этого вещества. Другими словами, если мы ухитримся от куска сахара отломать одну молекулу и положить ее на язык, она будет сладкой. Более мелкие частицы, например, атомы, из которых в свою очередь состоит молекула, не обладают всей полнотой качеств изначального вещества. В физике также принято называть молекулами свободные атомы, например составляющие одноатомных газов.

Каковы размеры молекул? Обычно приводят такой пример. Если увеличить все тела в мире в миллион раз, то молекула станет размером примерно вполовину точки печатного текста. А человеческий палец после этого увеличения приобретет толщину около 9–10 километров! Есть и еще одно популярное сравнение: обычное яблоко во столько раз больше молекулы, во сколько раз яблоко меньше, чем планета Земля… Примерный размер «средненькой молекулы» – около 0,00000016 сантиметра.

Молекула феруловой кислоты

Хорошо всем известные химические формулы в большинстве случаев дают представление именно о молекулярном и атомарном строении веществ. Так, формула воды H₂O говорит о том, что молекула воды состоит из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Еще один пример: если из воздушного шарика, надутого тремя граммами водорода, выпускать по одному миллиону молекул водорода в секунду, то шарик опустеет через 30 миллиардов лет

№ 63Все склеится, все перемешается. Явление диффузии

Вы когда-нибудь рисовали акварелью или гуашью? Наверняка помните, как макали покрытую краской кисть в баночку с водой, в воде появлялись красочные разводы, а потом, после нескольких часов рисования, вода приобретала однородный «серо-буро-малиновый» цвет?

Или еще пример – «парфюмерный». Дама перед выходом на улицу воспользовалась духами. Она брызнула ароматной жидкостью только на свои волосы, но еще несколько часов спустя, после того как она ушла, в комнате ощущался явственный аромат духов.

Или – вы разбираете документы в старом архиве, где папки с бумагами были сложены в стопки на протяжении десятков лет. Желая прочитать несколько страниц, вы с трудом отделяете одну от другой…

Все эти примеры объединяет одно. Это примеры так называемой диффузии. В переводе с латыни слово «diffusio» означает «распространение», «растекание». Им обозначают взаимное проникновение мельчайших частиц одного вещества между молекулами или атомами другого вещества. В наших примерах молекулы краски начали перемешиваться с молекулами воды, молекулы духов распространились среди молекул воздуха, а бумажные листы, пролежавшие спрессованными много лет, тоже начали понемногу «проникать» друг в друга… Интересно, что этому процессу подвержены даже металлы: если крепко прижать два куска металла один к другому, то у них тоже начнется процесс диффузии – правда, протекать он будет очень, очень медленно. А в жидкостях и газах диффузия обычно протекает очень быстро, заканчиваясь полным перемешиванием «участников процесса».

Впервые полное описание процессов диффузии дал немецкий физик Адольф Фик (1829–1901)

№ 64И что они суетятся? Броуновское движение

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун (Браун) (1773–1858) занимался изучением физиологии растений, в частности строением пыльников. Он обратил внимание на то, что пыльцевые зерна, располагавшиеся в растительном соке, находились в непрерывном движении, хотя, казалось бы, никакая сила извне на них не воздействовала!

Правда, Броун не довел до конца свои наблюдения – это сделал француз Луи Жорж Гуи (1854–1926). Он пришел к выводу, что интенсивность «броуновского движения» (именно так обозначили открытое шотландским ученым явление) не зависит ни от освещенности, ни от электромагнитного поля… И решил, что движение вызывается «тепловым движением молекул». То есть движение «броуновских частиц» – мелких «кусочков» вещества – вызвано тем, что об них ударяются окружающие их молекулы. (В ранних исследованиях ученые просто не видели молекул из-за несовершенства техники.) Если частичка невелика, то под ударами окружающих ее молекул она будет метаться то в одну, то в другую сторону. На рубеже XIX–XX веков исследователи отметили, что движение частиц ускорялось при нагревании.

И к середине ХХ столетия теория о броуновском движении была сформулирована: оно представляет собой беспорядочное движение микроскопических частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе, под влиянием теплового движения частиц этой жидкости или газа. Броуновское движение наглядно иллюстрирует теорию о хаотическом движении атомов и молекул.