Помоги проекту - поделись книгой:
К ЧИТАТЕЛЮ
Ваши отзывы и пожелания о книжках «Научно-популярной библиотеки» просим направлять по адресу: Москва, Орликов пер., д. 3, Гостехиздат.
Редактор
Подписан к печати 7.XI1 1950 г. 5v..ara 84х1081/3,0,625 буи.
3-я типография «Красный пролетарий» Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.
Введение
Около двух с половиной тысяч лет тому назад у человека возникла гениальная догадка о том, что весь окружающий его мир состоит из мельчайших частиц. Одним из первых, кто высказал это предположение, был греческий философ Демокрит, живший за пять веков до нашего летоисчисления. Эти мельчайшие частицы Демокрит считал неделимыми и назвал их поэтому атомами (атом — по-гречески — неделимый).
Демокрит думал, что всё многообразие окружающего нас мира вызвано различным движением и различными сочетаниями атомов.
«Всё состоит из атомов… вещи отличаются друг от друга атомами, из которых они состоят, их порядком и положением…», — писал Демокрит.
Тем, что всё состоит из атомов, Демокрит объяснял многие хорошо известные свойства вещей. Так, например, запах цветов он объяснял тем, что вылетающие из цветка атомы попадают человеку в нос и вызывают ощущение аромата.
В древности взгляды Демокрита пользовались широким распространением. Но вот, проходит несколько столетий, и учение Демокрита забывается. Получившая в средние века огромную власть христианская церковь старается увести человеческую мысль от всего материального-. Искусство и наука древней Греции объявляются языческими. Интерес к ним церковь считает грехом.
Более того. В феврале 1626 года парижский парламент под страхом смертной казни запрещает распространение мыслей о том, что всё в мире состоит из атомов.
Однако прошло несколько лет, и именно в Париже с новой силой зазвучали мысли Демокрита. На этот раз последователем Демокрита явился французский философ Гассенди.
Восстав против невежества средневековой науки я авторитета церкви, Гассенди в своих сочинениях настойчиво пишет о том, что всё в мире состоит из мельчайших невидимых глазом частиц.
Но Гассенди не удалось сделать учение об атомах общепризнанным. Проходит ещё около ста лет, и атомное учение находит себе нового замечательного защитника — великого русского учёного Михаила Васильевича Ломоносова. М. В. Ломоносов не только признаёт справедливость атомного строения окружающих тел, он использует учение об атомах для объяснения различных свойств и превращений вещества. Атомы помогают Ломоносову правильно объяснить, что такое теплота, понять, почему газы сопротивляются сжатию, найти законы, позволившие в будущем строить более совершенные машины, и т. д.
После Ломоносова учение об атомах завоёвывает всеобщее признание.
Однако это происходит далеко не сразу. Ещё во второй половине прошлого столетия идеалисты разных мастей пытались всячески помешать распространению атомного учения. Многие горе-теоретики старались «изгнать» из науки атомы, этот, как они говорили, плод человеческого воображения.
Только в результате длительной и напряжённой борьбы, в которой мысли, высказанные впервые Ломоносовым, отстаивались передовыми исследователями различных стран, атомное учение сделалось общепризнанным.
В борьбе за атомное учение особенно велики заслуги австрийского физика Л. Больцмана, талантливого польского учёного М. Смолуховского и недавно умершего друга Советского Союза француза Ж. Перрена.
В этой книжке рассказывается о главном, неотъемлемом свойстве невидимых частиц вещества — об их движении и о связанных с этим свойствах тел.
1. М. В. Ломоносов
В истории человечества известно много величайших учёных, художников, поэтов. Однако вряд ли мы найдём среди них другого человека, столь богато и разносторонне одарённого природой, как М. В. Ломоносов.
Михаил Васильевич Ломоносов родился осенью 1711 года в деревне Денисовке, расположенной на острове Куростровском в устье Северной Двины, напротив города Холмогор.
В 1730 году, 19 лет от роду, Ломоносов уходит от родных в Москву и поступает в школу, называвшуюся «Славяно-греко-латинской Академией». Спустя четыре года Ломоносов, как один из лучших учеников, направляется в Петербург — в Университет, а ещё через полгода он командируется за границу для обучения металлургии и горному делу.
За пять лет, проведённых за границей, Ломоносов воспринял у своих иностранных учителей все знания, которые они могли ему передать. Однако учение у иностранцев не сделало Ломоносова подражателем. Проходит немного времени, и Ломоносов в ряде случаев становится учителем своих недавних наставников.
Трудно охватить круг интересов Ломоносова — настолько он велик. А. С. Пушкин говорил о Ломоносове, что он, «соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, обнял все отрасли просвещения. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец, — он всё испытал и всё проник».
Разносторонность таланта Ломоносова настолько поражала иностранцев, что они не могли представить себе, что это был один человек. Ещё недавно в некоторых иностранных книгах по истории химии писали, что было два Ломоносова: один химик, а другой поэт!
Как и все лучшие сыны русского народа, Ломоносов горячо любил родину и много усилий приложил для увеличения её мощи, для улучшения жизни народа. Заботясь о распространении знаний, Ломоносов организовал Московский университет, являющийся до сих пор одним из крупнейших научных центров нашей страны.
Автор замечательных поэтических произведений, Ломоносов писал о русском языке: «Карл пятый Римский император говаривал, что испанским языком с богом, французским с друзьями, немецким с неприятелем, итальянским с женским полом говорить прилично. Но если бы он русскому языку был обучен, то, конечно, добавил бы, что им со всеми говорить возможно. Ибо нашёл бы в русском языке великолепие испанского, живость французского, крепость немецкого, нежность итальянского».
В самых различных областях знания работал Ломоносов. Но особенно много он занимался физикой и химией.
Ломоносов создал первую в России химическую лабораторию, предназначенную для чисто научных исследований. Он первый понял значение взвешивания веществ при химических превращениях.
Производя опыты, Ломоносов подтвердил великий закон природы, открытый им раньше.
Ещё в 1748 году Ломоносов писал: «Все перемены в природе случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присоединится к другому… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения…». Значение этого всеобщего закона сделалось ясным только в наше время. Этот закон должен по справедливости называться законом Ломоносова.
Изучая свойства тел, великий русский учёный объясняет истинную причину таких свойств, как упругость газов, нагревание тел при трении и т. д.
Что происходит с телами при нагревании? Что такое тепло? Почему тела притягиваются к земле? Почему газ сопротивляется сжатию? Почему тело, выставленное на мороз, охлаждается? — эти вопросы особенно интересовали науку во времена Ломоносова.
В то время в европейской науке существовал один ответ на все перечисленные выше вопросы. Для объяснения непонятных явлений наука располагала тогда целым набором таинственных «невесомых веществ» или, как их называли, «материй». Например, существовали «невесомая тепловая материя», «невесомая материя упругости», «материя холода» и т. д. При помощи этих «материй» можно было на словах объяснить всё, что угодно, по существу не объясняя ничего. Вас, например, интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается? Ответ готов: невесомая тепловая материя, выделяемая огнём, входит в воду, и вода нагревается!
Михаил Васильевич Ломоносов (родился в 1711 году, умер в 1765 году).
Вы хотите знать, почему газ сопротивляется сжатию? Потому что в нём имеется невесомая материя упругости, которая и противится уменьшению объёма, занимаемого газом.
Такое «объяснение» непонятных явлений напоминает рассуждение невежественного врача в одной из комедий. Как известно, в зёрнах мака имеется снотворное вещество — опий. Невежественный врач объяснял снотворное действие опия, говоря, что «опий усыпляет потому, что он обладает усыпляющими свойствами»!
Ясно, что такого рода объяснения ничего не объясняют, не помогают нам понять, почему в природе происходят те или иные явления.
И вот с этими «невесомыми материями» и начинает борьбу Ломоносов. В своих сочинениях он доказывает, что и тепло и упругость газов можно объяснить, не пользуясь таинственными «материями».
Как же это можно объяснить?
Ломоносов считал, что все тела состоят из мельчайших частиц, или, как он их называл, корпускул. Корпускулы чрезвычайно малы, и потому даже в небольшом количестве вещества их должно быть очень много.
Движение и взаимодействие корпускул и определяют свойства тел.
Идеи Ломоносова были встречены чрезвычайно, враждебно большинством заграничных учёных. В 1754 году некий Арнольд для получения учёной степени в Эрлангенском университете (Германия) написал сочинение, в котором «с успехом доказал» неправильность объяснения теплоты, которое было дано Ломоносовым.
Но беспристрастный суд истории доказал, что прав был Ломоносов. Его идеи были в дальнейшем развиты трудами многих исследователей в стройное учение, которое мы и постараемся изложить далее.
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.
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.
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.
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.
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.
3. Со скоростью пули
В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твёрдыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не всё, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твёрдые тела; поведение молекул у них легче изучить и понять.
Если бы мы построили микроскоп, в который можно было видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо другой газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.
Важный для науки закон, который указывает, как распределяются скорости между молекулами (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.
По этому закону, правильность которого была проверена на опыте, подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.
Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения построить их рядами так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста; затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких — слева, как показано на рисунке 4, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет выполняться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то мы можем встретиться случайно со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только тогда, когда молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объ'ёме, равном булавочной головке, содержится такое громадное число молекул, которое исчисляется единицей с 16 нулями. Поэтому во всех практических случаях можно без существенной ошибки считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.
Рис. 4.
Поделиться книгой: