ЛЕКЦИЯ № 12. Молекулы и атомы

Молекулы

Еще античные философы утверждали, что все вещи, предметы, да и сам человек состоят из маленьких частиц. К сожалению, в то время доказать существование таких частиц не представлялось возможным. Но шло время, человечество изобрело первые микроскопы. Таким образом, было научно доказано существование этих частиц, которые получили название молекул.

Молекулы имеют свой размер и свой вес. Физика изучает молекулярно-кинетическую теорию. Суть данной теории состоит в том, что в любом теле происходят тепловые процессы. Молекулярно-кинетическая теория объясняет, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц. Это движение и порождает тепло.

В основе молекулярно-кинетической теории лежит три утверждения:

1) вещество состоит из частиц;

2) эти частицы находятся в беспорядочном движении;

3) эти частицы также находятся в постоянном взаимодействии друг с другом.

Ученые-физики выработали даже формулу, по которой можно рассчитать размер молекул. Причем сложность состоит не в использовании данной формулы, а в том, чтобы понять, как ее применить. Простейший пример расчета размера молекулы – это расчет размера молекулы оливкового масла. Если капнуть всего лишь одну каплю оливкового масла в чан с водой, то масло никогда не займет всю поверхность этого чана (при условии, конечно, что этот сосуд с водой достаточно большой). Капля оливкового масла займет максимум 0,6 м², а объем этой капли равняется 1 мм³. Проще говоря, при растекании масла по поверхности воды оно создаст слой. И толщина этого слоя будет равняться одной молекуле оливкового масла.

Если размеры молекул достаточно малы, то размеры атомов еще меньше. Диаметр атомов составляет примерно 10-8 см. Эти размеры представить себе просто нереально. Проще прибегнуть к методу сравнения: «Если пальцы сжать в кулак и увеличить его до размеров земного шара, то атом при том же увеличении станет размером с кулак».

Число молекул из-за их небольшого размера в каждом теле огромно. Подсчитать их очень трудно. Но известно, что при каждом выдохе человек выдыхает столько молекул, что если их распределить равномерно в атмосфере Земли, то каждый житель нашей планеты получил бы по две-три молекулы.

Раз молекулы существуют и движутся, то, значит, между ними обязательно действуют физические силы. Это уже давно доказано. Между молекулами и атомами действует сила притяжения. Если бы ее не было, то все тела были бы в газообразном состоянии. Но, помимо силы притяжения, действует также и сила отталкивания. Если бы не было силы отталкивания, то все тела просто-напросто слиплись бы в один большой комок.

Между молекулами действуют электрические силы. Причем действуют они только на малых расстояниях. И природа этих сил такова: происходит взаимодействие между электронами и атомными ядрами соседних молекул. На расстоянии, которое равняется двум-трем диаметрам молекулы, начинает действовать сила притяжения. По мере того как молекулы начинают сближаться, сила притяжения начинает расти. Когда же расстояние между молекулами становится равным сумме радиусов молекулы, она начинает убывать.

Строение атома

Как уже было сказано выше, в далекой древности философы предполагали о существовании молекул и атомов. С тех пор, как человек «воочию» увидел их, считалось, что молекулы могут делиться, а атомы нет. Это было главным заблуждением ученых. В конце XIX в. были проведены опыты, которые выявили, что атомы могут не только делиться, но и превращаться из одних в другие.

С тех пор в химии был выделен новый раздел, который получил название «Строение атома». Настоящее исследование строения атома началось примерно в 1897–1898 гг. В это время было достоверно установлено, что при электрических разрядах в разреженных газах возникают катодные лучи. Опыт с катодными лучами был проведен так: в стеклянные трубки, в которые были впаяны электроды, закачивали воздух, а затем пропускали через них электричество. Катодные лучи являются невидимыми для человеческого глаза, но те места, через которые они проходят, «горят» светло-зеленым светом.

Катодные лучи не распространяются вне трубки, так как стекло для них непроницаемо. Ученые выяснили, что катодные лучи состоят из мельчайших частиц. Эти мельчайшие частицы несут отрицательный заряд, а скорость их передвижения равняется половине скорости света. Известна масса и величина заряда атома. Так, масса атома составляет 0,00055 углеродной частицы, а заряд – 1,602 на 10 в минус 19 степени.

Следует отметить, что между массой частиц, величиной их заряда и между природой газа, который они составляют, нет ни малейшей связи. Величина и заряд частиц не зависят от вещества, из которого сделаны электроды, а также от других условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы называются электроны.

В 1911 г. Резерфорд предложил свою теорию строения атома:

1) атом состоит из атомного ядра, которое является положительно заряженным;

2) химическая связь между атомами различных элементов – это проявление взаимодействия между двумя внешними электронами соседних атомов.

Несмотря на то что модель Резерфорда была самой современной на то время, она не объяснила главное: почему один атом после столкновения с атомами других веществ всегда возвращается в свое исходное положение.

Объяснение этого постоянства дал Нильс Бор. Бор применил квантовую гипотезу Планка к модели Резерфорда и доказал, что если атом может изменять свою энергию только прерывно, атом существует лишь в дискретных стационарных состояниях. Низшее из этих состояний и есть нормальное состояние для атома. Теперь в физике было объяснено то, что не смог объяснить Резерфорд.

Теория Бора была подтверждена в многочисленных теориях таких известных мировых ученых, как Франк, Герц, Штерн, Герлах, и ряда других.