Движение молекул

2. Вечное движение

Развитие науки за последние 150 лет наглядно доказало правильность гениальных мыслей Ломоносова.

Частицы, которые великий учёный назвал корпускулами, позднее стали называть молекулами. Молекулы действительно очень малы (рис. 1).

Насколько малы молекулы и как много их в любом теле, можно видеть из такого примера. Представьте себе, что мы взяли стакан воды и при помощи особой краски переметили все находящиеся в этой воде молекулы.

Выльем этот стакан воды с мечеными молекулами в океан и перемешаем воду равномерно между всеми океанами, морями и реками мира. Если теперь в любом месте зачерпнуть стакан воды, то в нём окажется около сотни знакомых нам меченых молекул!

Молекулы так малы, что трудно представить себе их состоящими из ещё более мелких частиц. А между тем молекулы действительно состоят из ещё более мелких частиц, которые теперь и называются атомами.

Рис. 1. Если сложить вместе столько песчинок, сколько содержится молекул воздуха в одном кубическом сантиметре, то получится куча, которая закроет большой завод.

В нашей книжке, однако, мы будем рассматривать такие свойства тел и такие их изменения, при которых сложное устройство молекул никак не сказывается. Поэтому мы будем молекулы представлять себе в виде очень маленьких твёрдых шариков, не задумываясь о том, как они устроены.

Рис. 2. Так выглядят в электронном микроскопе молекулы одного сложного химического соединения.

Несмотря на то, что молекулы нельзя увидеть даже в самый сильный из обычных микроскопов, учёные нашли способы с полной достоверностью доказать их существование. А в недавнее время удалось построить замечательный прибор — электронный микроскоп, который увеличивает настолько сильно, что с его помощью можно увидеть и отдельные молекулы! На рисунке 2 изображена сделанная при помощи электронного микроскопа фотография молекул одного сложного химического соединения. Правда, такие молекулы являются гигантами в мире молекул. Обычно же молекулы настолько малы, что и в электронный микроскоп мы не можем их увидеть.

Каковы же свойства молекул?

«Первым и самым важным из прирождённых свойств материи является движение», — писали около 100 лет тому назад Маркс и Энгельс. Молекулы не находятся в покое, а непрестанно движутся.

Очевидно, и частицы воздуха, беспорядочно двигаясь, непрерывно ударяются, как бы обстреливают наши тела. Почему же мы не чувствуем этих ударов? Объяснение очень простое: молекулы, как мы знаем, чрезвычайно малы и легки, и наши органы чувств не воспринимают слабых ударов отдельных молекул. Не чувствуем же мы увеличения тяжести надетой на голову шляпы, когда на неё сядет комар. А комар состоит из многих миллиардов молекул!

Другое дело, если быстро движущаяся молекула ударяется об очень небольшую частицу, по размерам сравнимую с ней. В этом случае удар уже не пройдёт бесследно для частицы.

Каждый из вас не раз видел, конечно, как солнечный луч, попадая в тёмную комнату через щель ставня или неплотно задёрнутую штору, пронизывает воздух и делает видимым множество находящихся в нём мельчайших пылинок. Какое беспорядочное движение можно наблюдать при этом! Пылинки причудливо мечутся и кружатся, напоминая рой мошек в тёплый летний вечер. Такое же беспорядочное движение можно увидеть, если, вооружившись микроскопом, присмотреться к частичкам дыма обычной папиросы. И такое же причудливое движение совершают мельчайшие частицы, если поместить их в жидкость. Сложные запутанные узоры выписывают, например, частицы цветочной пыльцы, высыпанной в воду.

Пылинки неутомимы в своём движении! Сколько бы времени ни наблюдать — час, день, неделю, — пылинки с одинаковым усердием будут продолжать свою бесконечную пляску. В чём причина этого движения? Что заставляет частицы постоянно изменять свой путь, неожиданно бросаться в сторону, как будто наскочив на невидимое препятствие?

На первый взгляд, ответ очень прост: ведь окружающий нас воздух никогда не бывает полностью спокоен. Даже когда нет ощутимого ветра, и тогда движутся навстречу друг другу и взаимно перемешиваются потоки тёплого и холодного воздуха. Такие же тепловые потоки наблюдаются и в воде, нагретой в одном месте больше, чем в другом.

Не эти ли потоки, сталкиваясь друг с другом и взаимно перемешиваясь, заставляют пылинки двигаться? Ну, что же, это можно проверить! Возьмём стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдёт несколько часов или, если хотите, дней, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловые потоки в ней исчезнут. Вероятно, и наши пылинки, не подгоняемые более, не движутся. Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление; как и раньше, они беспорядочно мечутся, подгоняемые какой-то неведомой силой.

Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоёв, — причина движения пылинок.

Поищем другое объяснение загадочного движения пылинок. Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать таких сотрясений, учёные опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!

Что же заставляет их двигаться?

Рис. 3. Так располагаются мельчайшие частички в стакане с водой.

Если присмотреться к описанному опыту, то в глаза бросится обстоятельство ещё более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжёлым, чем вода. В последнего случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако, если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что частицы, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположатся так, как это изображено на рисунке 3. Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает пылинкам упасть? Оказывается, одна и та же причина заставляет пылинки двигаться и не даёт им упасть. Это — удары молекул воды о пылинки.

Конечно, причудливые движения каждой пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в каждое мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинку двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было названо по имени человека, открывшего его, броуновским движением. А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским учёным М. С. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет учёным следить за движением молекул так же, как движение травы на лугу позволяет охотнику следить за бегущей в траве птицей.