Реальность атомов и молекул

Учением принято называть совокупность положений в какой-либо области знания, носящих в значительной мере умозрительный характер, опирающихся на различные косвенные аргументы: наблюдения, результаты экспериментов, умозаключения. Возникновение учений характерно для философии. В естественных науках употребление понятия «учение» носит случайный характер. Химия не могла остановиться на создании атомно-молекулярного учения. Требовалось прямыми методами доказать реальность этих частиц.

Одна из первых попыток в этом направлении была предпринята французским ученым Ж. Перреном (1870—1942). Он провел количественное исследование явления, называемого броуновским движением. При рассмотрении капли суспензии, т. е. жидкости с взвешенными в ней мелкими частицами, в сильный микроскоп можно видеть, что частицы непрерывно и беспорядочно движутся. Если проследить путь отдельной частицы, то получается сложная зигзагообразная линия (рис. 2.2). Это движение может продолжаться сколь угодно долго, не ослабевая и не изменяя своего характера. Причиной видимого движения частиц суспензии является движение окружающих их невидимых молекул жидкости. Толчки, получаемые частицами суспензии со всех сторон от молекул жидкости, не могут в точности уравновешивать друг друга. В каждый данный момент какой-то удар по энергии превышает другие удары, в результате чего частицы совершают свой причудливый путь. Таким образом, уже сам факт существования броуновского движения свидетельствует о реальности молекул и дает картину их беспорядочного теплового движения, так как взвешенные частицы, в общем, повторяют те же движения, что и молекулы, но с меньшей скоростью из-за огромного различия в массах. Путем длительного наблюдения за движением частиц Перрену удалось определить среднюю скорость их перемещения. Отсюда, зная массу частиц приготовленной суспензии, Перрен вычислил их среднюю кинетическую энергию. Результат получился поразительный. Оказалось, что кинетическая энергия частиц совпадает с кинетической энергией молекул газа, вычисленной для той же температуры на основании кинетической теории. Частицы Перрена были примерно в 10¹² раз тяжелее молекул водорода, кинетическая же энергия тех и других одинакова. После установления этих фактов уже трудно было отрицать реальность молекул.

Рис. 2.2. Броуновское движение частиц.

Еще более прямое доказательство атомно-молекулярного строения вещества дает прохождение рентгеновских лучей через кристаллы. В результате их рассеяния на электронах возникает дифракционная картина, обнаруживающая закономерно расположенные максимумы электронной плотности, соответствующие отдельным атомам (рис. 2.3). Отсюда вычисляются межатомные расстояния, а следовательно, и радиусы атомов. Начало рентгеноструктурному исследованию кристаллических веществ было положено швейцарским физиком М. Лауэ (1879—1960) в 1912 г.

Созданы также микроскопы (атомный силовой микроскоп), основанные на эффектах квантовой механики, увеличение которых достаточно для непосредственного наблюдения атомов на поверхности кристалла (рис. 2.4).

Все это говорит о том, что атомно-молекулярное учение усилиями ученых на протяжении приблизительно 150 лет преобразовалось в надежный, вполне достоверный фундамент химии. Таким образом, понятие «учение» к современной теории атомов и молекул уже не подходит.

Рис. 23. Максимумы электронной плотности в кристалле алмаза, определенные из рассеяния рентгеновских лучей.

Рис. 2.4. Атомы кремния на поверхности кристалла.