Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи)

СОДЕРЖАНИЕ Введение .2 Расстояния .3 Времена .4 Массы тел .6 Атомы. Появление на свет 7 От атомов к молекулам .13 Заключение .20 МИР, В КОТОРОМ МЫ ЖИВМ ВВЕДЕНИЕ Стремление постичь тайны времени, пространства, и сво место во Вселенной издавна не давало покоя человеку. Вот и сегодня, как отмечает известный писатель-фантаст

Е. И. Парнов, человек снова стоит на перекрстке бесконечностей. Одна дорога уводит его в мир галактик, туда, где разлетающееся вещество достигает почти световых скоростей, другая - в микромир с исчезающе малыми масштабами расстояний и длительностей И уже несколько тысячелетий, не зная покоя, человеческая мысль блуждает по этим дорогам. Отправной точкой в е странствиях всегда была Земля.

Когда-то и она казалась необозримо большой и граница видимого горизонта считалась краем света. Но в 1521 г. завершилось первое кругосветное плавание португальца Фернандо Магеллана, и люди узнали, что их мир измеряется двумя годами путешествия. А ещ через 440 лет российский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин уменьшил его до 89 минут Размеры Земли перестали казаться фантастически большими, и сама она

превратилась в рядовую планету, обращающуюся вокруг Солнца, путешествующего по бескрайним просторам Вселенной. В Средние века люди воспринимали мир как грандиозное представление, главным героем которого был человек. Именно он считался центром Вселенной. Кто же писал французский учный Анри Пуанкаре освободил нас от этой иллюзии Те, кто показал нам, что

Земля есть лишь одна из самых малых планет Солнечной системы и что сама Солнечная система - только незаметная точка в беспредельных пространствах звздной Вселенной . Чтобы осознать сво место в ней, человечеству потребовалось не одно тысячелетие. И лишь в XX столетии люди, наконец, поняли, в каком мире они живут. Открытие пространственно-временной структуры Вселенной явилось величайшим достижением науки.

Ещ в середине XVII в. французский учный Блез Паскаль писал, что не огромность мира звзд вызывает восхищение, а человек, который измерил его . За прошедшие с тех пор столетия наука обогатилась многими новыми открытиями. Однако чем больше мы узнавали о Вселенной, тем скромнее оценивали сво место в ней. Поэтому, когда Альберта Эйнштейна спросили Что бы вы ответили на смертном одре на вопрос успешной или напрасной была прожитая жизнь - великий учный сказал

Ни на смертном одре, ни до него подобный вопрос не мог меня интересовать Я ведь только крошечная частица природы РАССТОЯНИЯ Диаметр нашей планеты составляет около 12800 км, Солнца - в 109 раз больше. Если представить себе Землю в виде крупинки размером 1 мм, то диаметр Солнца окажется равным примерно 11 см. При этом Земля в выбранном масштабе будет двигаться вокруг светила

по орбите радиусом чуть меньше 12 м. Диаметр же всей Солнечной системы превысит 900 м Выйдем за е пределы. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Кентавра находится от нас на расстоянии, почти в 7 тыс. раз превышающем радиус Солнечной системы. Чтобы преодолеть такой путь, свету требуется более четырх лет. Если же выразить это расстояние в километрах, получится 14-значное число.

В астрономии для измерения столь больших расстояний используется специальная единица, называемая парсеком пк1 пк 3,09 1013 км. Расстояние до Проксимы Кентавра равно 1,31 пк. Космическая станция, движущаяся с третьей космической скоростью 16,67 кмс, добертся до не не ранее чем за 70 тыс. лет А ведь это наша ближайшая соседка , остальные звзды расположены ещ дальше. В середине XVIII в. первый российский учный-естествоиспытатель

Михаил Васильевич Ломоносов писал Открылась бездна звзд полна Звездам числа нет, бездне дна. Точное количество звзд во Вселенной действительно не сосчитать. Однако известно, что невооружнным глазом в ясную безлунную ночь над горизонтом можно увидеть около 3 тыс. звзд. Приблизительно столько же находится под горизонтом. Все они составляют лишь малую часть гигантской звздной системы, называемой

Галактикой. Наша Галактика Млечный Путь включает более 200 млрд. звзд, обращающихся вокруг общего центра, находящегося в созвездии Стрельца. За пределами Млечного Пути простираются триллионы других галактик. Все вместе они образуют Метагалактику. Свет даже ближайшей из них Малого Магелланова Облака идт до нас 170 тыс. лет. Малое Магелланово Облако - это сравнительно небольшая звздная система,

которая наряду с Большим Магеллановым Облаком относится к спутникам Млечного Пути. Значительно дальше находится Туманность Андромеды - ближайшая из числа похожих на нашу Галактику. Свет от не идет до нас около 2 млн. лет. А самые далкие из известных нам космических объектов находятся от Земли на расстоянии 5000 Мпк. Глядя на них сегодня, мы видим их такими, какими они были около 15

млрд. лет назад Обратим теперь свой взгляд в обратную сторону - ту, которая уводит нас в глубь материи. Мир писал американский физик Ричард Филлипс Фейнман если смотреть на него издали, кажется круглым, гладким, чисто отполированным шариком, но если посмотреть на него вблизи, он оказывается очень сложным миллиарды крохотных атомов, всевозможные неровности . Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть ни в один оптический микроскоп.

По своим размерам примерно 10-10 м они во столько же раз меньше обыкновенного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара. А число атомов в яблоке так же велико, как и число звезд в наблюдаемой Вселенной. Ещ меньше протоны и нейтроны, образующие ядро атома. Если попытаться изобразить атом, в котором ядро имеет вид пятнышка диаметром 1 мм, получится рисунок поперечником 100 м Протоны и нейтроны, в свою очередь, тоже имеют сложное строение.

Они состоят из частиц, называемых кварками. Кварки, а также лептоны, к которым относится, например, электрон, по сегодняшним представлениям самые маленькие частицы материи. Их размеры столь малы, что даже не поддаются определению известно лишь, что они меньше 10-18 м. В теориях, описывающих поведение кварков и лептонов, они рассматриваются как точечные бесструктурные образования. ВРЕМЕНА Когда-то Вселенная представлялась людям вечной и неизменной.

Одно время так думал даже великий Альберт Эйнштейн. Но в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл 1889-1953 установил, что Вселенная расширяется галактики и их скопления удаляются друг от друга, причм со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Но если это так, то раньше все галактики располагались ближе друг к другу, чем сейчас. Был, очевидно, и такой момент, когда вс вещество

Вселенной находилось в сжатом до бесконечно большой плотности состоянии. Потом оно стало стремительно расширяться, что и происходит до сих пор. Начало расширения Вселенной в астрономии называется Большим взрывом, а время, прошедшее от Большого взрыва до наших дней возрастом Вселенной. По приблизительным оценкам, он составляет около 15 млрд. лет.

Что же произошло за это время в нашей Вселенной Чтобы легче было проследить эволюцию нашего мира во времени, американский астроном Карл Саган 1934 - 1996- придумал любопытный способ изложения космической хронологии. Всю историю Вселенной он описал в масштабе, при котором одной космической секунде соответствует 500 реальных земных лет. Продолжительность существования нашего мира сжалась в результате до одного воображаемого космического года . В соответствии с масштабом, выбранным

Саганом, первые люди появились вечером последнего дня первого года в истории Вселенной. Как ни удивительно, но на тот же день приходятся и современные события. Этот день ещ не закончился, до нового года осталось около 40 мин. В реальном измерении они истекут через миллион с лишним лет. Наряду со сверхбольшими интервалами времени, сравнимыми с возрастом

Вселенной и даже превышающими его например, период полураспада изотопа свинца 204РЬ составляет 1,41017 лет, сегодня наука имеет дело и со сверхмалыми временами, поражающими воображение в не меньшей степени, нежели приведнные выше. Так, солнечный свет достигает Земли примерно за 8 мин. Период колебаний напряжения в розетке осветительной сети составляет лишь 0,02 с. Время же, за которое свет от экрана включнного телевизора доходит до человека, расположившегося в 2

м от него, в 3 млн. раз меньше Но и это время, измеряемое миллиардными долями секунды, является огромным по сравнению с периодом жизни элементарных частиц, называемых резонансами. Оно составляет порядка 10-22 10-24с и приблизительно во столько же раз меньше возраста Вселенной, во сколько размер протона уступает размерам наблюдаемой Вселенной. МАССЫ ТЕЛ Наименьшей массой во Вселенной обладают элементарные частицы.

Масса электрона равна 0,910-30 кг. Примерно в 1800 раз тяжелее протон и нейтрон. В состав Земли входит около 3,51051 протонов и нейтронов, а 1,21057 этих частиц образуют Солнце. Следовательно, масса Земли приблизительно равна 61024 кг, а масса Солнца - 21030 кг, т. е. в 300 тыс. раз больше. Основная масса живого вещества на Земле сосредоточена в растениях - это 2400 млрд. т.

Что касается людей, их общая масса составляет около 300 млн. т. Масса Галактики равна примерно 1,51011 массы Солнца. Чтобы оценить массу всей наблюдаемой Вселенной, следует учесть, что она содержит более 1023 звзд. Если считать Солнце типичной звездой средней величины, то масса всего звздного вещества во Вселенной составит 1053 кг 1054 кг. Приведнные данные стали известны лишь в

XX столетии. И хотя они приблизительны, тем не менее, как заметили авторы знаменитого Берклиевского курса физики, самое замечательное в этих числах - это то, что мы их вообще знаем . АТОМЫ. ПОЯВЛЕНИЕ НА СВЕТ Начала Вселенной атомы и пустота. Вс же остальное существует лишь во мнении. Демокрит Все люди от природы стремятся к знанию - писал древнегреческий учный

Аристотель Удивление побуждает людей философствовать Мудрый, насколько это, возможно, знает вс, хотя он и не имеет знания о каждом предмете в отдельности Из наук ближе всего к мудрости та, которая желательна ради не самой и для познания, нежели та, которая желательна ради извлекаемой из не пользы Тот, кто предпочитает знание ради знания, больше всего предпочтт науку наиболее совершенную, а такова наука о наиболее достойном познания.

А наиболее достойны познания первоначала и причины, ибо через них и на их основе познатся вс остальное . Родоначальник античной науки, древнегреческий философ Фалес около 625 - около 547 до н. э такой первоосновой считал воду. Уплотняясь, она образует тврдые тела, испаряясь - воздух. Вс произошло из воды, говорил Фалес, и Земля плавает на воде, подобно куску дерева.

Впоследствии Эмпедокл из Агригента около 490 - около 430 до н. э. довл количество элементов, являющихся первоначалами мира, до четырх. При горении дерева, рассуждал он, сначала поднимается дым воздух, а затем возникает пламя огонь. При этом на холодной поверхности, оказавшейся рядом с пламенем, образуется влага вода, а после сгорания дерева остатся зола земля. И потому основными элементами мира или корнями , как он их называл следует считать огонь, воздух, воду и землю.

К ним Эмпедокл добавил два возбудителя движения - любовь, стремящуюся соединить разнородные элементы, и вражду, разделяющую их. Не всех удовлетворяло сведение всего существующего к проявлению четырх стихий. Является ли образующая мир материя непрерывной Существует ли пустота, где нет никакой материи Не состоят ли и эти четыре стихии из каких-то первичных сущностей Что получится, если делить, например, ту же воду на вс более и более мелкие капли

Будет ли такое деление бесконечным или, дойдя до какой-либо мельчайшей частицы, мы уже не сможем далее продолжить его Над этими вопросами размышляло не одно поколение философов. В V в. до н. э. древнегреческим учным Левкиппом. а затем его учеником из города Абдера Фракия Демокритом около 460 - 371 до н. э. была выдвинута атомистическая гипотеза. В соответствии с ней вс в мире состоит из атомов, различающихся своей формой, порядком и ориентацией

в теле между атомами находится пустота. По легенде, идея о существовании атомов возникла у е автора, когда он разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части Мысль о том, что существует предел такого деления, и побудила назвать мельчайшие далее уже неделимые частицы материи атомами в буквальном переводе с языка древних греков слово атом означает неразрезаемый , нерассекасмый . Развивая атомистические идеи Левкиппа,

Демокрит создал всеобъемлющую научную систему, включающую в себя учение о космосе, теорию познания, логику, этику, математику, биологию и психологию. Согласно его учению, в природе существуют лишь два начала - пустота и атомы. Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения. Философ был настолько убежднным атомистом, что даже

человеческую душу и богов представлял в виде комбинаций атомов. Последователем Левкиппа и Демокрита был Эпикур 341-270 до н. э Их учение о существовании частиц противоречило другой идее - идее о бесконечной делимости материи философа Анаксагора около 500 - 428 до н. э. из города Клазомены в Малой Азии. Аргументы в пользу атомистического учения можно найти в знаменитой поэме древнеримского

поэта и философа Тита Лукреция Кара I в. до н. э. 0 природе вещей . Удивительна судьба атомистической гипотезы Уже через несколько десятилетий после смерти Демокрита она была подвергнута серьзной критике со стороны Аристотеля из Стагиры 384-322 до н.э Если атомы - это мельчайшие и неделимые частицы, то, как они могут отличаться друг от друга Разве можно говорить о форме и ориентации того, что не имеет частей

У неделимого подчркивает Аристотель нет ни края, ни какой-либо другой части . Впрочем, отмечает философ, не правы и те, кто верит в бесконечную делимость материи. Ибо что останется после такого деления Не имеющие размеров точки Но это ничто . Значит пишет Аристотель ничего не осталось бы и тело уничтожилось бы, превратившись в нечто бестелесное. И тогда оно вновь могло бы возникнуть или из точек, или вообще ни из чего.

Но разве это возможно Ведь хотя бы даже все точки сложились вместе, вс равно они не составили бы никакой величины . Согласно Аристотелю, основу мира составляет некая первичная материя. Она непрерывна ни атомов, ни пустоты в ней не существует. Первичная материя может принимать форму какой-либо из четырх стихий - огня, воздуха, воды или земли. Вступая во всевозможные соединения, они образуют различные вещества.

Впоследствии Католическая церковь превратила учение Аристотеля в догму, в которую следовало лишь слепо верить, не пытаясь, что-либо менять. В XI в. кардинал Птр Дамиани 10071072 объявил науку служанкой теологии . Существование атомов не укладывалось в систему религиозных представлений о мире если Бог построен из атомов, то кто и когда создал атомы, и о мельчайших частицах материи надолго забыли.

Мы были свидетелями гибели учных писал в XI в. персидский и таджикский поэт, и естествоиспытатель Омар Хайям настоящее имя Гиясаддин Абу-ль-Фатх Омар ибн Ибрахим около 1048 после 1122 от которых осталась малочисленная, но многострадальная кучка людей. Суровость судьбы в эти времена препятствует им всецело отдаться совершенствованию и углублению своей науки. Большая часть из тех, кто в настоящее время имеет вид учных, одевает истину ложью и, не выходя

в науке за пределы подделки и лицемерия, использует тот запас знаний, которыми они обладают, только для низменных, плотских целей . Лишь в XIII и XIV вв. вновь появляются отдельные сторонники атомизма. Например, французский учный Никола из Отрекура около 1300 - после 1350 считал, что в явлениях природы нет ничего, кроме движения, соединения и разъединения атомов. Но и он в 1347 г. был вынужден публично отречься от своих взглядов, а его сочинение, осужднное

Церковью, было публично сожжено. Потребовалось ещ 300 лет, прежде чем, наконец, появился учебник Наставления физики 1638 г. Иоганна Шперлинга 1603-1658, в котором решительно утверждалось Учение об атомах не столь ужасно, как это кажется многим. Позорной язвой нашего века являются осмеяние, освистание, осуждение всего, о чм не сразу можно высказать сво мнение Ничего не стоит сказать, что Эпикур бредил, что

Демокрит безумствовал, что древние были дураки . В начале XVII в. французский учный Пьер Гассендй 1592-1655 для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов, впервые вводит термин молекула что в переводе с латинского означает маленькая масса . Атомно-молекулярные представления начинают привлекать внимание химиков и физиков. Однако до реабилитации Демокрита было ещ далеко Церковь упорно придерживалась взглядов

Аристотеля и карала каждого инакомыслящего. Летом 1624 г. группа французских учных решила организовать в Париже публичный диспут, на котором предполагалось подвергнуть учение Аристотеля резкой критике. 14-й тезис подготовленной программы возрождал атомистическую гипотезу. Однако этому диспуту не суждено было состояться. В назначенный день одного из его устроителей, де Клава, арестовали, а другому, Виллону, пришлось скрыться.

Остальным участникам диспута было предписано покинуть Париж в 24 часа. При этом французский парламент принял постановление, по которому организация подобной полемики и распространение учения об атомах впредь запрещались под страхом смертной казни. Прошло ещ почти 100лет, прежде, чем идеи о мельчайших частицах вещества стал развивать Михаил Васильевич Ломоносов 1711-1765. Различая два вида нечувствительных частиц материи, он дат им

названия элементы равные понятию атом и корпускулы равные понятию молекула . По Ломоносову, элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличных между собою тел корпускула есть собрание элемента в одну небольшую массу . Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано английскому учному Джону Дальтону 1766-1844, который впервые предпринял попытку количественного описания их свойств.

Именно им было введено понятие атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных химических элементов. Но тот же Дальтон ввл в химию представление о сложных атомах , итальянский физик и химик Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья эди Черрето 1776 - 1856 - понятие об элементарных молекулах . Возникшая путаница в понятиях и отсутствие единой общепринятой терминологии стали затруднять дальнейшее

развитие химии. Важную роль в уточнении используемых понятий сыграл Международный химический конгресс в Немецком городе Карлсруэ, собравший в 1860 г. 140 учных из разных стран. После блестящего и воодушевлнного по словам Дмитрия Ивановича Менделеева доклада итальянского химика Станислао

Каннилццаро 1826-1910 конгресс путем голосования принял решение о различии понятий атом и молекула , раз и навсегда покончив с существовавшей ранее путаницей. Между тем многие учные и после этого продолжали считать атомы и молекулы не реально существующими частицами, а лишь рабочими гипотезами, придуманными ради удобства. Например, немецкий физикохимик Вильгельм Фридрих Оствальд 1853-1932 утверждал, что атомы будут существовать

только в пыли библиотек . Другой известный учный, австрийский физик и философ Эрнст Мах 1838-1916, на все доводы в пользу существования атомов обычно отвечал А вы видели хотя бы один атом . Иной точки зрения придерживался австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман 1844 - 1906. Несмотря на дружбу с Оствальдом и огромное уважение, которое он испытывал к Маху, сам Больцман, в отличие от них, был страстным и убежднным сторонником атомно-молекулярного учения

и много сделал для его развития. Однажды во время обсуждения атомистической теории в Венской академии наук он вдруг услышал, как Мах лаконично заметил Я не верю в существование атомов . От этого высказывания вспоминал впоследствии Людвиг Больцман у меня голова пошла кругом Учный не дожил до того времени, когда были осуществлены решающие опыты, неопровержимо доказавшие реальность существования атомов.

Он тяжело переживал разногласия с коллегами-современниками и, в частности, поэтому в 1906 г. покончил с собой. То, на что жалуется поэт писал Больцман верно и для теоретика творения его написаны кровью его сердца, и высшая мудрость граничит с высшим безумием . Сегодня никто уже не сомневается в существовании атомов, однако, реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже

Больцман по этому поводу писал В неделимость атома не верит в настоящее время ни один физик . Однако установить истинную структуру атома удалось лишь спустя пять лет после его смерти, когда на основе продолжительных и кропотливых экспериментов английский физик Эрнест Резерфорд 1871 - 1937 пришл к выводу, что атом представляет собой положительно заряженное ядро, окружнное электронной оболочкой. Обнаружение этой структуры ознаменовало третье рождение атома.

Так из умозрительной гипотезы он превратился в реальную и осязаемую единицу материи. ОТ АТОМОВ К МОЛЕКУЛАМ Означает ли многообразие веществ, существующих в природе, что и число различных видов атомов также бесконечно велико В мире существует бесконечное число атомов Атомы обладают бесконечным числом форм. Число форм бесконечно, потому что в природе нет оснований, чтобы оно было ограничено определнным значением, чтобы оно было таким, а не иным .

Так, по свидетельству философа Симплиция VI в отвечал на этот вопрос Левкипп, а вслед за ним его друг и ученик Демокрит. Однако уже Аристотель заметил, что для объяснения наблюдаемых явлений не обязательно допускать существование бесконечного числа различных атомов, ибо и на основе их ограниченного числа можно было доказать вс то же самое . Здесь Аристотель оказался прав. В настоящее время известно, что число различных атомов действительно

ограниченно их лишь немногим более 100. Большинство же веществ построено из молекул - разнообразных сочетаний этих атомов. Например, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода СО2, молекула воды - из двух атомов водорода и одного атома кислорода Н2О и т. д. Но это мы знаем сейчас. В конце XVIII в когда английский физик, химик и метеоролог Джон Дальтон приступал к исследованию свойств мельчайших частиц вещества, об атомах и молекулах знали

почти столько же, сколько за 2 тыс. лет до этого. Тем не менее, учный не побоялся бросить вызов природе, взявшись взвесить то, что увидеть было невозможно. Немногим ранее французский химик Антуан Лоран Лавуазье 1743 - 1794 открыл закон сохранения массы в химических реакциях и впервые разделил все вещества на химические элементы и химические соединения. Дальтон пошл дальше.

Он возродил атомистику и в основу своей теории положил следующие постулаты Все химические элементы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами. Атомы данного химического элемента имеют одинаковые массу и химические свойства. Атомы разных элементов имеют различные массу и химические свойства. Атомы могут соединяться в простых целочисленных отношениях, образуя соединения.

Возможно ли определить массу того или иного конкретного атома Никому раньше в голову не приходило, что такое реально. Да и сами атомы существуют ли они У Дальтона на этот счт сомнений не возникало. Он был настолько убеждн в существовании атомов, что иногда ему казалось он их видит воочию. Взвесить атомы Дальтон не мог. Тогда он решил определить их относительную массу, т. е. принять, например,

массу атома водорода за единицу и посмотреть, чему будут равны массы всех остальных атомов в сравнении с массой атома водорода. К тому времени уже был известен состав многих химических соединений. Например, удалось установить, что вода состоит из водорода и кислорода. Химический анализ показывал, что при образовании воды 1 г водорода соединяется с 8 г кислорода. Первым, кто попытался объяснить этот факт, был Дальтон.

Не имея возможности руководствоваться какими-либо иными соображениями, он решил исходить из принципа простоты . Если известно только одно соединение двух данных элементов А и В, то оно должно состоять из двухатомных молекул которые сам Дальтон называл сложными атомами типа AB. Следующими по простоте являются комбинации АВ2 и А2В поэтому, если известны два или три соединения данных элементов, их молекулы должны описываться

тремя формулами. Основываясь на этом принципе, Дальтон предположил, что молекула воды двухатомна и имеет в современных обозначениях формулу НО. Отсюда следовало, что в 1 г водорода и 8 г кислорода содержится одинаковое число частиц. Но если это, верно, значит, каждый атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода. Так Дальтон впервые получил значение относительной атомной массы кислорода. Изучение иных химических соединений позволило Дальтону составить целую таблицу относительных атомных

масс всевозможных химических элементов. В 1803 г. он обнародовал результаты этих исследований. Учный сознавал, что является первопроходцем в новой, неизведанной пока области, и потому в свом сообщении подчеркнул Рассмотрение роли относительной тяжести мельчайших частичек тел, насколько я знаю, является совершенно новым предметом исследования. Я начал недавно эти работы и достиг некоторых успехов . Значение его исследований трудно переоценить. Ничего подобного в науке ещ не было.

Впервые человек своим разумом проник в микромир и на языке чисел описал то, что невозможно было увидеть. Однако принцип простоты , которым руководствовался Дальтон, сильно подвл его. Позволив в одних случаях получить правильные результаты, во многих других он привл к неверным выводам. Ошибочной оказалась и формула молекулы воды, предложенная Дальтоном, а вместе с ней и относительная атомная масса кислорода.

Эти ошибки были обнаружены и исправлены итальянским учным Амедео Авогадро. В 1811 г. вышла его статья под названием Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения , В ней указывалось, что все проблемы, связанные с установлением относительных масс частиц вещества, могут быть легко решены, если предположить, что при одинаковых условиях в равных объмах

любых газов содержится одинаковое число молекул. Теперь это утверждение называют законом Авогадро. Из него следует, что отношение масс молекул газов совпадает с отношением их плотностей при одинаковых давлениях и температурах Так Авогадро обнаружил удивительно простое решение задачи о нахождении относительной молекулярной массы. Для этого, оказывается. необходимо знать лишь плотности р соответствующих газов. В качестве примера он рассчитал относительную молекулярную массу кислорода.

Подставив в свою формулу плотности кислорода и водорода, учный пришл к выводу, что масса молекулы кислорода примерно в 15 раз превышает массу молекулы водорода несколько позднее было получено более точное значение - 16. Понятие относительной молекулярной массы сохранилось до нашего времени. Только теперь начиная с 1960 г. при е расчте за основу берут не массу атома водорода, а 112 массы атома углерода е называют атомной единицей массы а.е.м. 1,660565586 10 -27 кг.

Следующим шагом в развитии молекулярных представлений было определение состава молекул различных соединений, в частности воды. Для этого Авогадро воспользовался экспериментальным фактом, установленным несколькими годами ранее французским химиком и физиком Жозфом Луи Гей-Люссаком 1778-1850. В 1808 г. он обнаружил, что для образования водяного пара объемом 2V нужно, чтобы в реакции участвовали водород такого же объма и кислород объма

V. Схематически это можно изобразить следующим образом 2Vводород Vкислород 2Vвода. До открытия закона Авогадро этот факт мало о чм говорил. Ведь частицы газообразного водорода могли быть расположены вдвое дальше друг от друга, чем атомы газообразного кислорода, и потому обнаруженная разница в объмах могла не иметь никакого отношения к числу молекул. Однако после того, как закон был установлен, ситуация резко изменилась.

Равные объмы газов при одинаковых условиях содержат одинаковые количества молекул. Пусть в объме V находится N молекул, тогда в объме 2 V будет содержаться 2 N молекул и приведнное выше уравнение примет вид 2N водород N кислород 2 N вода или после сокращения на N 2 молекулы водорода 1 молекула кислорода 2 молекулы воды. Проанализировав полученное соотношение, Авогадро пришл к выводу, что молекулы водорода и кислорода

двухатомны. Если бы это было не так и молекулы водорода и кислорода были одноатомными, то имело бы место следующее уравнение 2НO Н2О, Но здесь образуется лишь одна молекула воды, в то время как на самом деле их должно быть две. Если молекулы водорода и кислорода содержат по два атома, то мы сразу приходим к правильному уравнению 2Н2O2Н2О. Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учными была определена структура всех

остальных известных молекул. Оказалось, что число атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях даже сотен и тысяч у некоторых витаминов и белков. Несмотря на всю важность полученных Авогадро результатов, у многих учных XIX в. осталось чувство неудовлетворнности. Большинство из них продолжали сомневаться а существуют ли на самом деле атомы Ведь их по-прежнему никто не видел.

Французский химик Жан Батист Дюма 1800-1884 писал Если бы это зависело от меня, я бы искоренил в науке слово атом, потому что я убеждн, что оно выходит за пределы проверяемого опытом, а химия никогда не должна выходить за границы проверяемого экспериментом . Между тем в 1827 г. английский ботаник Роберт Браун 1773-1858 сделал открытие, которому было суждено сыграть очень важную роль в победе атомно-молекулярного учения.

Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, он обнаружил странное явление частицы взвеси непрерывно двигались, описывая самые причудливые траектории. Впоследствии беспорядочное движение взвешенных в жидкости мелких частичек другого вещества стали называть брауновским движением. Понимание истинной причины этого движения пришло не сразу. Потребовалось почти полвека, прежде чем бельгийский учный

Иньяс Карбонелль предположил, что брауновское движение частицы вызвано ударами молекул окружающей жидкости. В ходе изучения брауновского движения было установлено, что это движение универсально поскольку наблюдалось решительно у всех веществ, взвешенных в распылнном состоянии в жидкости, непрерывно в закрытой со всех сторон колбе его можно наблюдать неделями, месяцами, годами и хаотично беспорядочно. Причм движения даже тех брауновских частиц, которые располагались довольно близко друг к другу, были

совершенно независимыми, так что не могло быть и речи о том, что их причиной служат какие-либо потоки в самой жидкости. Вс это свидетельствовало о том, что молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения. Первая количественная теория брауновского движения появилась лишь в 1905 г. Е автором был Альберт Эйнштейн. Составив уравнение, описывающее брауновское движение, и решив его, учный получил следующее соотношение х 2 bTNAt, 2 где х - среднее значение квадрата смещения брауновской

частицы вдоль оси Х за время t, Т - абсолютная температура жидкости, b - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров брауновских частиц и вязкости жидкости, а NA - универсальная физическая константа, называемая постоянной Авогадро. Она показывает, во сколько раз атомная единица массы а. е. м. меньше одного грамма г. Узнав, чему она равна, можно сразу же пересчитать все относительные массы атомов и молекул в граммах

и килограммах. Для определения постоянной Авогадро методом Эйнштейна достаточно измерить значения x 2 , b, T, и t, и подставить их в формулу 2. Не пересташь удивляться этому результату писал известный американский физик-теоретик Абрахам Пайс родился в 1918 г - полученному как бы из ничего приготовьте взвесь сферических частиц, размер которых довольно велик по сравнению с диаметром простых молекул, возьмите секундомер да микроскоп

и, пожалуйста, определяйте постоянную Авогадро Теория Эйнштейна нашла полное подтверждение в экспериментальных исследованиях французского физика Жана Батиста Перрена 1870 - 1942. Он начал проводить их в 1908 г. и продолжал затем в течение нескольких лет. Через равные промежутки времени t 30 с Перрен отмечал последовательные положения брауновской частицы, видимые в поле зрения микроскопа, и соединял затем эти положения прямолинейными отрезками,

Измерения, проведнные Перреном, показали, что постоянная Авогадро выражается числом 610 23. Измерения этой постоянной другими методами привели к такому же результату. Современное значение 6,0220453110 23 Определение постоянной Авогадро позволило рассчитать массу m0 отдельных атомов и молекул, а путм деления массы всего тела m на m0 - и число частиц в этом теле. Ссылаясь на эксперименты по брауновскому движению, и

Вильгельм Фридрих Оствальд был вынужден признать, что они позволяют даже осторожному учному говорить об экспериментальном подтверждении атомного строения вещества . Перрен за свои работы по брауновскому движению получил Нобелевскую премию. Подводя итоги в 1912 г он заявил Атомная теория восторжествовала. Некогда многочисленные, е противники повержены и один за другим отрекаются

от своих взглядов, в течение столь долгого времени считавшихся обоснованными и полезными . Для определения размеров молекул был проведн ряд опытов. В одном из них, осуществлнном в начале XX в. английским физиком Джоном Уильямом Стреттом, лордом Рэлеем 1842-1919,на поверхность воды поместили каплю масла. Масло стало растекаться, образуя плнку. По мере растекания масла плнка становилась вс тоньше и тоньше.

Через некоторое время растекание прекратилось. Рэлей предположил, что это произошло, когда все молекулы масла образовали мономолекулярный слой, т. е. плнку толщиной в одну молекулу. Разделив объм капли на площадь образовавшегося пятна, физик нашл диаметр одной молекулы масла. Он оказался равным примерно 1,610-9 м. Атомы и молекулы нельзя увидеть невооружнным глазом, так как разрешающая способность глаза не лучше 0,1 мм, что существенно больше размеров этих частиц.

Оптические микроскопы позволяют достигнуть увеличения до 1500 крат, в результате чего становится возможным различать структуры с расстоянием между элементами до 210-7 м. Но даже такое расстояние намного больше атомных размеров. Однако в середине XX в, удалось создать так называемые электронные микроскопы, в которых вместо световых лучей используются ускоренные пучки электронов. Они позволяют наблюдать и фотографировать изображения

объектов при увеличении до 106 раз Разрешающая способность таких микроскопов достигает десятых долей нанометра от греч. нанос - карлик и метрео - измеряю 1 нм 10-9 м, благодаря чему стало возможно фотографировать изображения атомарных структур. Человеку удалось увидеть то, что 2,5 тыс. лет казалось принципиально недоступным познанию. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Наука не стоит на месте. Появляются сканирующие микроскопы, в которых датчиком наблюдательного устройства является остро заточенная

игла, перемещающаяся над изучаемой поверхностью и реагирующая на изменение силы притяжения к е атомам или молекулам. Их разрешающая способность может составлять уже сотые доли нанометра. Наблюдение структур с масштабами порядка нанометра и менее делает возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. Роль проводов в подобных структурах выполняют химические связи, а элементами таких молекулярных компьютеров становятся соединнные этими связями фрагменты молекул.

Нанометрия становится основой будущей технологии - нанотехнологии XXI столетия.