Движение молекул

6. В мире порядка

При затвердевании объём почти всех жидкостей уменьшается. Поэтому можно считать, что, как правило, молекулы или атомы в твёрдых телах расположены ещё ближе друг к другу, чем в жидкостях.

Если молекулы в газе находятся в полном беспорядке, а в жидкости беспорядочное движение молекул сочетается с некоторым порядкам в их расположении, то в твёрдых телах частицы располагаются уже в полном порядке.

Учёные придумали способы узнавать, как расположены частицы, образующие твёрдые тела. Оказывается, в твёрдых телах частицы занимают строго определённые положения. При затвердевании жидкости соседние частицы вещества располагаются в вершинах правильных геометрических тел: кубов, пирамид, призм и т. д.

Рис. 9. Строение кристалла поваренной соли.

Рис. 10. Строение кристалла графита.

Каждый из вас хорошо знает обычную поваренную соль, употребляемую в пищу. Каждая крупинка такой соли представляет собою один или несколько соединённых вместе кубиков. Такая форма частиц соли не случайна.

Поваренная соль — это химическое соединение двух различных веществ: хлора и натрия.

Частицы, образующие кристалл поваренной соли, являются не молекулами хлора и натрия, а электрически заряженными атомами этих веществ, так называемыми ионами. Если мы условимся частицу хлора (ион хлора) изображать чёрным шариком, а частицу натрия (ион натрия) белым, то в каждой крупинке поваренной соли частицы расположены так, как это изображено на рисунке 9. Здесь каждый чёрный кружок окружён шестью белыми, а каждый белый, в свою очередь, шестью чёрными. Такой порядок мы наблюдаем в любой части крупинки поваренной соли.

В других твёрдых телах порядок расположения частиц иной, но в каждом из них совершенно определённый.

Рис. 11. Разнообразные формы кристаллов.

Существует твёрдое тело — графит. Его применяют при изготовлении мелков карандашей. Графит построен из частичек углерода, из которого состоит и обычный древесный уголь. Расположение частичек в графите изображено на рисунке 10.

Как мы видим, здесь частички расположены иначе, чем в поваренной соли, но и здесь существует строгий порядок в их расположении.

Порядок в расположении частиц, из которых построены твёрдые тела, объясняет их правильную форму.

Если перед вами лежит бесформенная глыба, то это не означает ещё что в ней нарушен присущий твёрдому телу порядок частиц. Отколите маленькую крупинку и посмотрите на неё в лупу или микроскоп. Вы увидите чёткие грани и рёбра правильных геометрических фигур. Глыба образовалась случайным сращением множества маленьких, правильно огранённых частиц.

Так, поваренная соль, где бы мы её ни получили — в соляных копях, из солончаковых озёр близ Каспийского моря или из вод Северного Ледовитого океана, — всегда имеет форму кубиков. Если разбить кубик поваренной соли, он рассыплется на несколько меньших кубиков.

Твёрдые тела, имеющие присущую им от природы правильную форму, вызванную правильным расположением частиц их образующих, мы называем кристаллами.

Красивы и разнообразны кристаллы различных веществ (рис. 11).

Многие из них вы можете получить сами. Прибавьте к горячей воде какое-либо вещество, например поваренную соль или квасцы, пока оно не перестанет в ней растворяться. Перемешайте раствор, дайте нерастворившемуся веществу осесть на дно и осторожно слейте прозрачный раствор в чистый стакан. Поставьте стакан с раствором в тёплое спокойное от тряски место. Через несколько дней, когда часть жидкости испарится, на дно стакана выпадут кристаллы растворённого вещества.

Наше знакомство с твёрдыми телами будет неполно, если не упомянуть о твёрдых телах, не имеющих правильной формы, характерной для кристаллов. Взгляните на кусок оконного стекла. Специальной машиной ему придана хорошо знакомая нам форма тонкой пластинки. Если разбить кусок стекла, то среди осколков не удастся обнаружить правильных кристаллов. Очевидно, частицы стекла не расположены в таком строгом порядке, как частицы, образующие какой-либо кристалл. Современная наука подтвердила это заключение. Такие тела, как стекло, которые по своим механическим свойствам являются твёрдыми телами, но частицы которых расположены недостаточно упорядоченно для того, чтобы образовать кристаллы, называют аморфными телами.

Аморфные тела сами по себе очень медленно переходят в тела кристаллические. В стекле такой переход вызывает помутнение, а иногда и растрескивание и знаком многим из обыденной жизни.

Аморфными телами являются получившие в последнее время большое распространение как в быту, так и в технике различные пластические массы.

Часто одно и то же тело может существовать как в виде кристалла, так и в виде аморфного тела. Многие видели красивые кристаллы, так называемые "друзы" горного хрусталя. Если горный хрусталь расплавить, а затем охладить образовавшуюся жидкость, то мы вновь получим твёрдое тело, но теперь это будет аморфное кварцевое стекло. Как же расположены частицы, образующие кристалл и аморфное стекло?

Горный хрусталь, кварцевое стекло и многие другие вещества являются соединением атомов двух различных элементов. Если условиться изображать атомы одного из этих элементов чёрными кружками, а атомы другого белыми, то интересующее нас соотношение в расположении частиц несколько упрощённо будет изображено на рисунке 12. Слева на рисунке представлено расположение атомов в кристаллах, а справа — в стекле. Мы видим, что порядок, наблюдаемый в расположении атомов в крис галле, нарушается при превращении последнего в стекло. Однако полностью порядок в стекле не исчезает. Возле каждого атома, взятого в отдельности, порядок сохраняется неизменным, но он оказывается нарушенным, если рассматривать всё твёрдое тело целиком.

Может показаться, что в этом мире порядка, где каждая частица занимает определённое место, нельзя говорить о движении частиц. Однако это не так. И в кристаллах частицы находятся в вечном движении.

Рис. 12. Расположение атомов в воображаемом плоском кристалле (слева) и в таком же стекле (справа).

Какое же движение могут совершать частицы, занимающие неизменное положение?

Многие из вас помнят детскую загадку: "что весь день идёт, а с места не сходит?" Разгадка — "часы".

Действительно, взгляните, например, на часы-"ходики". Неутомимо снуёт взад и вперёд маятник ходиков, отсчитывая время. Вперёд, назад, снова вперёд и снова назад движется укреплённый на маятнике кружок. Мы говорим, что маятник колеблется.

Подобным же образом колеблются бесчисленные частички, образующие кристаллы.

При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул, подобные приведённому на рисунке 2.

Если подсчитать путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отдельные совершаемые ими за это время колебания, то мы заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, а следовательно-, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.

Таким образом, и в случае твёрдых тел, так же как и в случае жидкостей и газов, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной "тепловой материи"; мы (можем вместе с Ломоносовым сказать: "теплота состоит во внутреннем движении материи".

Частицы твёрдых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких "кочующих" частиц в твёрдых телах невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.

Таков характер движения (молекул в газообразных, жидких и твёрдых телах. Посмотрим теперь, как знание законов этого движения помогает нам объяснять многие явления, помогает покорять природу.