ВВЕДЕНИЕ
Говорят: дом построен из кирпича, изба — из брёвен, но разве можно сказать то же в отношении куска стали или капли воды?
На первый взгляд это кажется бессмысленным. Ведь капелька воды, например, представляется нам совершенно одинаковой во всех своих частях. Да и в куске хорошей стали мы не замечаем никаких «зёрнышек» или «кирпичиков». Однако на самом деле это не так. Множество наблюдений над окружающей нас природой говорит о том, что любое вещество, любое тело состоит из отдельных невидимых глазу частичек.
Об этом люди догадывались очень давно. Уже 2400 лет тому назад древнегреческий учёный Демокрит предположил, что все вещества состоят из отдельных неделимых частиц, которые он назвал атомами.
Материалистическое учение Демокрита многие века находилось под запретом церкви. Лишь в XVII — XVIII веках это учение было вновь возрождено учёными-мате-риалистами. В XVIII веке атомистическая теория строения вещества была развита великим русским учёным М. В. Ломоносовым.
Было установлено, что в различных телах атомы объединяются в разнообразные группы — молекулы.
Что все тела состоят из отдельных невидимых частиц — атомов и молекул, — подтверждается всем известными фактами. Почему, например, всякое тело можно растянуть или сжать? Если вещество сплошное, то это понять трудно; если же оно состоит из отдельных частичек, то это легко объяснить: при растяжении частички отодвигаются друг от друга, а при сжатии — сближаются. По этой же причине вещества могут проникать друг в друга.
Всем известно, например, что если бросить в стакан с водой кусок сахара, то через некоторое время кусок сахара растворится в воде, а вода станет сладкой. Отсюда ясно, что вода не может быть сплошной: частички сахара разошлись по всему стакану и проникли между частичками воды.
Такое же явление можно наблюдать и у твёрдых тел. Например, если два разных металла плотно приложить друг к другу и оставить в таком положении на долгое время, то в первый металл проникнут частички второго металла и наоборот.
В XIX веке учёные знали уже, что все вещества разделяются на простые и сложные. Сложное вещество — это такое, которое удаётся химическим способом разложить на простые. Например, сложное вещество — обычную поваренную соль, которую иначе называют хлористым натрием, — можно разложить на газ хлор и металл натрий. Сталь также сложное вещество: она состоит из железа, углерода и других веществ. А вот железо, натрий, хлор, углерод не удаётся разложить на другие вещества. Это простые вещества.
Частички простых веществ — это и есть либо атомы, либо молекулы, состоящие из одинаковых атомов. А частички сложных веществ — это молекулы, построенные из разных атомов. Молекула хлористого натрия, например, состоит из атома хлора и атома натрия.
В конце XIX и начале XX века последователи реакционной идеалистической философии — Мах, Оствальд и другие — снова стали брать под сомнение учение об атомах. Они утверждали, что атомистическое строение окружающих нас тел — это лишь предположение, гипотеза, что в действительности не существует никаких атомов.
Однако физики-материалисты с полной достоверно стью доказали реальность существования атомов и молекул. Правда, атомы и молекулы нельзя увидеть: так они малы. Но зато их можно обнаружить другим путём.
В самом начале нашего века были открыты особые, так называемые радиоактивные вещества. Эти вещества постоянно испускают из себя невидимые лучи. Фотопластинка, помещённая в темноте рядом с радиоактивным веществом, чернеет. Некоторые вещества под действием радиоактивных лучей начинают светиться. Так, если около кусочка радиоактивного вещества поместить лист бумаги, покрытый сернистым цинком, то можно видеть, как лист начнёт попеременно «вспыхивать» в разных местах, как будто в эти места попадают отдельные частички радиоактивного вещества. Дальнейшие исследования радиоактивных веществ показали, что так это и есть в действительности. Было установлено, что в составе радиоактивных лучей имеются осколки атомов химического элемента гелия. Они-то, вылетая из радиоактивного вещества с огромной скоростью — до 20 000 километров в секунду — и дают «вспышку» при ударе о лист бумаги, покрытый специальным составом.
Таким образом, в опыте с кусочком радиоактивного вещества и листом бумаги, покрытым сернистым цинком, мы видим хотя и не сами атомы гелия, но их удары, вызывающие «вспышки» при ударе о «мишень».
Позднее учёными были получены и другие убедительные доказательства, подтверждающие существование молекул и атомов. Более того, недавно с помощью нового замечательного прибора — электронного микроскопа — учёные увидели, наконец, и отдельные крупные молекулы некоторых сложных веществ!
Итак, в настоящее время твёрдо установлено, что все вещества — как сложные, так и простые — действительно состоят из атомов и молекул.
Что же представляют собой эти мельчайшие частички вещества? Каково устройство различных атомов и молекул?
Каким образом они связаны между собой в телах твёрдых, жидких и газообразных?
И, наконец, для чего нам нужно знать строение окружающих нас тел?
Ответы на все эти вопросы даёт наша книжка.
1. УДОБНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
размеры атомов и молекул очень молы, во много раз меньше окружающих нас предметов. Чтобы измерять эти частицы, необходимо выбрать подходящие единицы измерения.
Определяя размеры вещей, мы пользуемся в житейской практике метрами и сантиметрами. Самые маленькие предметы, которые мы ещё видим глазом, удобнее измерять миллиметрами. Миллиметр — это десятая доля сантиметра.
Единицей, удобной для измерения частичек, видимых в микроскоп, является микрон. Один микрон в тысячу раз меньше миллиметра:
Для измерения же атомов и молекул применяется единица, которая ещё в тысячу раз меньше микрона. Её называют миллимикроном:
Часто также пользуются единицей ещё в десять раз меньшей; она называется ангстрем:
Невооружённым глазом можно видеть предметы размером примерно до нескольких десятых долей миллиметра, т. е. до нескольких сотен микронов. При помощи хорошего микроскопа можно разглядеть предметы, имеющие размеры до одного микрона. Недавно изобретённые электронные микроскопы позволяют отодвинуть границу невидимого до нескольких миллимикронов. Меньших частиц мы увидеть не можем и судим об их размерах только по косвенным признакам (как можно измерить величину частиц, не видя их, вы узнаете в конце этой книжки).
А теперь, выбрав единицы измерения для атомов и молекул, познакомимся с устройством этих невидимых частичек.
2. АТОМЫ
Ещё недавно учёные думали, что атом неделим. Сейчас мы знаем, что это не так. Установлено, что атомы построены из ещё более мелких частиц.
Таких частиц имеется три типа: электроны, протоны и нейтроны; нх называют элементарными частицами.
Если два электрона находятся не очень далеко друг от друга, то они стремятся оттолкнуться друг от друга; так же ведут себя и два протона. Напротив, протон и электрон будут притягиваться друг к другу.
Иначе ведут себя нейтроны — они «не замечают» ни электронов, ни протонов, ни других нейтронов, если только они не находятся в непосредственной близости друг к другу.
В отличие от нейтронов электроны и протоны назы« ваются электрическими частицами.
Если тело содержит одинаковое количество электронов и протонов, то они «нейтрализуют» друг друга, и тело не обладает электрическим зарядом; про такое тело говорят, что оно электрически нейтрально.
Если в теле имеется избыток электронов, то мы называем его отрицательно заряженным (отрицательный электрический заряд обозначается знаком « — »). При недостатке электронов тело заряжено положительно (положительный заряд электричества обозначается знаком «+»).
Свойство электронов и протонов нейтрализовать друг друга в равных количествах объясняется тем, что у электрона и протона одинаковые по величине заряды, но у протона они положительные, а у электрона — отрицательные.
Но что значит равенство зарядов электрона и протона? Это значит, что два протона будут отталкиваться друг от друга с той же силой, что и два электрона друг от друга, если они расположены на одинаковых расстояниях Притяжение и отталкивание электрических частиц называется электрическим взаимодействием. Частица, содержащая, например, излишек в 9 протонов (число протонов на 9 больше числа электронов), притягивает один электрон в девять раз сильнее, чем частица, содержащая излишек в 1 протон. Ещё в 4 раза возрастёт сила притяжения, если мы заставим действовать друг на друга две частицы, содержащие одна излишек в 9 протонов, а другая излишек в 4 электрона (см. схему на рис. 1). Если имеется частица, содержащая 2 электрона и 7 протонов, то её электрическое действие будет такое же, как и у частицы, содержащей 5 протонов: 2 электрона и 2 протона как бы нейтрализовались.
Рис. 1. Как действуют друг на друга электрические частицы.
Физики определили не только заряды электронов, протонов и нейтронов, но и их вес.
Самая лёгкая из этих трёх частичек — электрон. Его вес трудно себе представить; он равен
Протон и нейтрон имеют почти одинаковый вес; тот и другой примерно в 1840 раз тяжелее электрона.
Таковы элементарные частички.
Как же они располагаются в различных атомах?
Вот какими сведениями об этом располагает наука сегодня.
Строение всех атомов однотипно. В центре каждого атома находится его ядро, состоящее, как было впервые предсказано советским физиком Д. Д. Иваненко, из протонов и нейтронов.
Вокруг ядра расположены электроны, составляющие электронные оболочки атома. Атомы различных простых веществ — химических элементов — отличаются друг от друга лишь числом электронов, находящихся в электронных оболочках, и количеством протонов, образующих ядра атомов.
Так как атом в целом нейтрален — ведь в обычных условиях тела не обладают электрическими свойствами, — то ясно, что число протонов в ядре атома должно равняться числу электронов его оболочки. Что касается нейтронов, входящих также в состав атомного ядра, то число их равно или несколько отличается от числа протонов.
Как расположены нейтроны и протоны в ядре атома, нам пока неизвестно. Зато устройство электронных оболочек физики изучили уже достаточно хорошо. Установлено, что число электронов в электронных оболочках у различных атомов колеблется от 1 почти до 100. В соответствии с этим у разных атомов различно и число протонов. Так, в электронной оболочке атома водорода расположен один электрон, и соответственно этому — в ядре водородного атома находится один протон. Точно так же в ядре атома кислорода находится 8 протонов и в электронных оболочках кислородного атома — 8 электронов.
Очень большое число электронов имеет атом химического элемента урана: в электронных оболочках этого атома находится 92 электрона и в ядре его — 92 протона.
Таким образом, физические и химические свойства различных атомов определяются числом протонов и электронов, или, что то же самое, величиной положительного заряда атомного ядра.
Мы не случайно употребляем название «электронные оболочки» во множественном числе. Электроны распределяются в атоме как бы по слоям. При этом в каждом слое может поместиться вполне определённое количество электронов. Первый слой — оболочка, непосредственно окружающая ядро, может вместить только 2 электрона, второй — 8, третий — 18 электронов и т. д.
Поясним это на примерах атомов кислорода и натрия. Ядро кислорода состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Его 8 электронов расположены в двух оболочках: в первой — 2 и во второй — 6. Вторая оболочка остаётся немного незаполненной; она могла бы вместить ещё 2 электрона. Ядро атома натрия имеет 11 протонов и 11 или 12 нейтронов. 11 электронов натрия распределены в трёх оболочках: в первой — 2, во второй — 8 и в третьей — 1 электрон. В большинстве случаев в следующей оболочке электроны могут быть только тогда, когда предыдущая оболочка заполнена.
Если построить такие же схемы и для атомов других простых веществ — элементов, то обнаружится чёткая связь между химическими свойствами атома и его строением. Эта связь была гениально предугадана великим русским учёным Д. И. Менделеевым в его периодической таблице элементов.
На рисунке 2 приведена таблица Менделеева, построенная согласно последним данным. Четыре элемента за номерами 93 — 96 были получены искусственным путём в последние годы — это плутоний, нептуний, америций и кюрий.
Менделеев расположил химические элементы в своей таблице так, что элементы, помещённые в одних и тех же столбцах таблицы, обладают похожими химическими свойствами. Порядок расположения столбцов также определяется химическими свойствами элементов. В результате такого расположения элементов в таблице каждый из них приобрёл некоторый порядковый номер, называющийся менделеевским числом. Оказывается, это менделеевское число имеет очень простой смысл: оно указывает число электронов в атоме.
В одни и те же столбцы таблицы Менделеева попадают атомы с одинаковым числом электронов во внешней оболочке. Так, например, стоящие в первом столбце элементы: литий, натрий, калий и т. д., имеют во внешней оболочке по одному электрону. Элементы, стоящие во втором столбце: бериллий, магний, кальций, — по два электрона и т. д.
Надо заметить, что атомы могут терять или приобретать один или несколько электронов и таким путём приобретать положительный или отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Особенно легко отрываются от атома те электроны, которых мало во внешней оболочке. Так, например, натрий легко «отдаёт» свой одиннадцатый электрон; этот электрон является единственным в третьем слое — оболочке, которая может вместить, как говорилось, 18 электронов. Наоборот, кислород охотно «приобретает» два электрона, которых ему нехватает для того, чтобы внешняя оболочка была заполнена. В первом случае получается однозарядный положительный ион натрия, во втором — отрицательный двухзарядный ион кислорода.
Какова же внешняя форма атома и иона? Ответ не будет неожиданным: электронные оболочки имеют шаровую форму. Грубо можно представить себе атом, построенный наподобие детской игрушки — разъёмного шарика, внутри которого заключены всё меньшие и меньшие шарики. Размер внешней оболочки и есть размер атома.
Диаметр оболочек колеблется от 1 до 4 ангстрем.
При этом надо помнить, что электроны атома всё время движутся, но проследить путь электронов вокруг ядра нельзя; современная наука показала, что нельзя представлять электрон как маленький шарик. Поэтому, описывая атом, нельзя разместить электроны вокруг ядра, как фигурки на карусели.
Как же тогда представлять себе электронную оболочку?
Вспомните мальчишескую забаву — камень на верёвке, закрученный рукой с большой быстротой. Вы не различаете камня, а видите лишь слабо очерченное кольцо, указывающее места, где побывал камень в своём движении. Электронная оболочка и есть область, внутри которой движутся электроны.
На рисунке 3 показана «фотография» атома натрия; здесь снят, конечно, не сам атом, а его модель: так выглядел бы атом, если бы сумели его сфотографировать. В зачернённой середине находятся ядро и 10 электронов, туманную внешнюю оболочку образует при своём движении внешний одиннадцатый электрон.
Рис. 3. Модель атома натрия.
Мы изображаем атомы шариками, но читатель не должен думать, что атом плотно заполнен частицами. Совсем напротив, размеры ядра и электронов много меньше размеров атомов. Если, скажем, увеличить атом до размеров комнаты, то электроньг и ядра будут иметь размеры пылинок.
На рисунке 4 показаны относительные размеры атомов и ионов. Шарики расположены в том же порядке, что и в таблице Менделеева. Размер атома зависит от того, находится ли он в нейтральном состоянии, либо потерял или приобрёл добавочные электроны. Например, атом кремния — Si — имеет радиус 1,2 ангстрема. Когда он теряет 4 электрона и становится четырёхзарядным положительным- ионом, то его радиус уменьшается в три раза. Напротив, радиус четырёхзарядного отрицательного иона кремния больше 2 ангстрем.
Но не следует думать, что размер атома зависит только от числа электронов. Если мы сравниваем атом с его, же ионами, то, действительно, с увеличением числа электронов размер атома растёт. Совсем иначе обстоит дело при сравнении размеров различных нейтральных атомов, обладающих разным количеством электронов. В этом случае может иметь место обратная картина. Дело в том, что при большом числе электронов и ядро атома обладает большим числом протонов. Значит, электрический заряд ядра становится больше, и поэтому оно сильнее притягивает к себе электроны — оболочка стягивается.
3. МОЛЕКУЛЫ
Итак, в природе существует около 100 простых веществ — химических элементов. Атомы этих веществ, соединяясь друг с другом в самых различных комбинациях, и создают то огромное количество различных тел природы, которое мы видим в окружающем нас мире. Самой мельчайшей частичкой всех химических соединений является, как мы уже говорили выше, молекула; она состоит из атомов химических элементов.
Каким же образом происходит объединение атомов в молекулы?
В основном существует два способа, при помощи которых молекула образуется из атомов. Первый способ заключается в том, что два атома, приходя в соприкосновение, заряжаются разноимённо и притягиваются друг к другу. Для того чтобы это произошло, нужно, чтобы один атом отдал свой электрон другому. Представим себе, например, что друг к другу приблизились атомы натрия и хлора (рис, 5). Одиннадцатый электрон натрия, находящийся во внешней оболочке, весьма слабо «привязан» к своему атому. Он отрывается от атома натрия и переходит к хлору. Возникает положительный однозарядный ион натрия (один электрон отдан) и отрицательный однозарядный ион хлора (один электрон получен). Так как полученные ионы имеют противоположные заряды, то они притягиваются друг к другу и образуют молекулу вещества, называемого хлористым натрием. Хлористый натрий, как уже говорилось, это обычная поваренная соль.
Исследуя всевозможные соединения между атомами, молено обнаружить, что у атомов имеется стремление отдавать электроны внешнего слоя в том случае, когда внешний слой слабо «заселён» (один, дез, три электрона). И наоборот, у атомов имеется стремление присоединять электроны, если во внешней оболочке им нехва-тает 1 — 3 электронов до числа 8. У атома хлора заполнены первые две оболочки, а в третьей находится 7 электронов, поэтому атом хлора стремится присоединить к себе один электрон. У атома кислорода заполнена первая оболочка, а во второй находятся 6 электронов — атом кислорода стремится присоединить к себе 2 электрона.
Второй способ образования молекул из атомов таков: при сближении двух или более атомов отдельные электроны, находящиеся на их внешних оболочках, перестают принадлежать какому-либо одному атому, а становятся связанными с двумя атомами. Внутренние же электроны остаются попрежнему в распоряжении каждого из атомов. Так образуется, например, молекула углекислого газа (рис. 6), Эта молекула состоит из атома углерода и двух атомов кислорода. У атома углерода 6 электронов, у кислорода — 8. Молекула образуется следующим путём: атом углерода оставляет в своём «индивидуальном пользовании» только два электрона, второй парой электронов он связывается с одним атомом кислорода и третьей парой — со вторым атомом кислорода. В свою очередь кислород отдаёт два электрона «на обмен» и оставляет себе шесть электронов. Таким образом, в каждой связи углерод — кислород участвуют две пары электронов,
В результате такой связи атомов кислорода и углерода в молекулу около ядра кислорода движется 10 электронов и столько же около ядра углерода. Иными словами, каждый из атомов имеет одну заполненную оболочку (вспомните, что в первой оболочке — два электрона) и, кроме того, около него «вращается» ещё 8 электронов.
Опять цифра 8, с которой мы уже встречались.
Запомним это и разберём другой пример.
Рис. б. Схема молекулы углекислого газа. «Обменные» электроны показаны кружками вне оболочек.
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атом водорода — первый элемент в таблице Менделеева; у него один электрон. У атома кислорода первая оболочка заполнена, а во второй находятся 6 электронов. При соединении этих атомов в молекулу кислород оставляет себе из шести внешних электронов четыре: одним! из своих электронов он связывается с первым атомом водорода, а другим электроном — со вторым атомом водорода. В свою очередь водород отдаёт свой единственный электрон на общее пользование с кислородом. В результате каждая связь кислород — водород осуществляется одной парой электронов. Около атома водорода вращаются два электрона, а около кислорода — опять 10: два в первой оболочке и ещё 8.
Опять та же цифра 8!
Не будем умножать числа примеров. OKa3biBaeTcnv что в значительном большинстве химических соединений это число 8 для атомного окружения играет решающую роль. Атомы, объединяясь в молекулы, стремятся окружить себя 8 электронами.
Это стремление окружить себя восемью соседями, разумеется, родственно стремлению к заполнению электронной оболочки, которое проявляется у рассмотренной выше (рис. 5) молекулы поваренной соли. Разница лишь в том, что там, при первом способе соединения атомов в молекулу, атомам удаётся окружить себя 8 электронами, вращающимися только около одного атома, тогда как при втором способе образования молекулы атомам приходится удовлетворяться электронами, находящимися в общем пользовании. Но всё-таки около каждого атома движется 8 электронов.
Чем можно объяснить «склонность» атомов, объединяющихся в молекулы, к восьмерному окружению?
Оказывается, такое окружение атома — наиболее устойчиво. Это блестяще показывает таблица Менделеева. В ней, в нулевой группе, расположены химические элементы — газы: гелий, имеющий порядковый номер 2,
неон — порядковый номер 10, аргон — 18, криптон — 36, ксенон — 54 и радон с порядковым номером 86.
Все эти газы называются инертными, потому что они не вступают в химические реакции ни с какими веществами. Нет молекул, в состав которых входили бы названные шесть элементов.
В чём секрет их инертности? Оказывается, в том, что внешняя электронная оболочка у атомов этих газов либо заполнена целиком, либо содержит наиболее устойчивое число электронов — 8 над последней заполненной оболочкой. В самом деле, ядро атома гелия окружено одной заполненной оболочкой; ядро неона — двумя заполненными оболочками, причём вторая оболочка имеет восемь электронов; ядро аргона окружено двумя заполненными оболочками и ещё восемью электронами; ядро криптона — тремя заполненными оболочками с прибавкой восьми электронов (2+8+18+8=36); ксенон и радон также имеют по восьми электронов ео внешней оболочке.
Из этих примеров видно, что восьмерное электронное окружение атомов является действительно наиболее устойчивым. Именно поэтому инертные- газы и не объединяются с какими-либо другими веществами в молекулы.
Известно, что существуют молекулы не только сложных тел — химических соединений, но и молекулы про-
стых тел. Например, газы, входящие в состав воздуха, азот и кислород, находятся в нём не в виде атомов, а в виде двухатомных молекул. Это объясняется тем же стремлением атомов к наиболее устойчивому восьмерному окружению. Если, например, при соединении атомов по
два каждому из атомов удаётся окружить себя восьмёркой элекронов, то обязательно образуется молекула химического элемента. Так, отдельному атому кислорода нехватает двух электронов для образо-Рис. 7. Молекула метана. вания восьмерного окружения. Но если два атома соединятся вместе, обобщив при этом четыре электрона (по два от каждого), то около любого из них будут двигаться восемь электронов
Рис. 8. Молекулы кислорода (7), воды (2) и углекислого газа (3).
С этой точки зрения понятно отсутствие молекул, например, у аргона: атом аргона имеет восьмерное окружение и не вступает в объединение с другим атомом.
Внешнюю форму молекул, образованных двумя рассмотренными способами, .нужно представлять себе различной. Такую молекулу, как хлористый натрий, можно представить себе в виде двух соприкасающихся шаров (рис. 5). Форм*а и размеры ионов после объединения в молекулы почти не меняются.
Молекулы, образованные по второму способу, представить в таком виде уже нельзя, и вот почему. Для того чтобы между атомами происходил обмен электронами, центрам атомов приходится сближаться, при этом шарообразные атомы как бы сплющиваются.
На рисунке 7 показана молекула метана, всем хорошо известного светильного газа. Она состоит из четырёх атомов водорода и одного атома углерода. Слева молекула показана в условном виде — шарики (атомы) раздвинуты, и стерженьки показывают, в каком направлении здесь действуют силы, связывающие атохмы в молекулу. Действием этих сил атомы так прижимаются друг к другу, что «сплющиваются», — возникает молекула, показанная на рисунке сцрава.
Таким образом, все молекулы, образованные по второму способу, можно представить себе как бы составленными из срезанных шаров.
Молекулы различных вешеств, как это показано на рисунках 8, 9 и 10, имеют самые разнообразные формы и размеры.
Молекула кислорода состоит из двух атомов; она выглядит, как два спрессованных шара. Молекула углекислого газа имеет линейную форму: её атомы расположены по прямой линии. Молекула воды, хотя и состоит, как молекула углекислого газа, из трёх атомов, уже не имеет линейной формы, её атомы расположены под углом. Молекула бензола плоская и выглядит, как цветок с шестью лепестками. Молекула нафталина также имеет плоскую форму. Молекула аммиака имеет форму пирамиды. Существуют очень длинные молекулы, у которых длина в десятки раз больше поперечного сечения; таковы молекулы жирных кислот. Молекулы белка ещё крупнее, в них входят тысячи атомов. Размер таких молекул достигает сотен ангстрем. Это и есть те самые молекулы, которые можно увидеть с помощью электронного микроскопа.
На рисунке 9 показаны схемы — «скелеты» — молекул и над ними модели этих же молекул. Эти модели были построены физиками в последние годы. Структурные же «скелеты» молекул имеют более длинную историю. Первым учёным, построившим структурную теорию молекул, был великий русский учёный А. М. Бутлеров. Он предложил структурные скелеты молекул для ряда химиче-
ских веществ. Вид структурной формулы устанавливался исключительно на основании изучения химических превращений, происходящих с веществом. Все без исключения формулы, предложенные Бутлеровым и его последователями, подтверждаются новейшими физическими методами, позволяющими строить модели молекул.
4. ТРИ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Одно и то же вещество может встретиться в природе в трёх состояниях — в виде газа, жидкости и твёрдого тела. Так, если подогреть кусок льда, он расплавится и превратится в воду; если воду нагреть ещё больше, она превратится в пар. Пар — это газообразная вода; лёд — это твёрдая вода.
Некоторые вещества известны нам в естественных условиях только в одном состоянии. Например, воздух мы знаем как газ, ртуть — как жидкость, а железо — как твёрдое тело. Но и эти вещества так же, как все вещества без исключения, можно получить во всех трёх состояниях. Так, жидкости при достаточно низких температурах затвердевают, а при высоких — испаряются. Газ можно превратить в жидкость, а затем и в твёрдое тело. В лабораториях, например, сейчас очень часто имеют дело с жидким воздухом; можно получить и твёрдый воздух. Ртуть замерзает примерно при сорока градусах мороза по Цельсию. Железо при очень высоких температурах можно превратить в пар.
Основное свойство газообразного тела — это способность рассеиваться в пространстве; газ, заключённый в сосуде любого размера, равномерно распределяется по этому сосуду.
Напротив, жидкость сохраняет всегда определённый объём. Что же касается формы, то её у жидкости нет — она принимает форму того сосуда, в который мы её налили.
Твёрдое тело обладает не только определённым объёмом, но и определённой формой. Только при помощи внешних сил — сжатием, растяжением, ударом — молено изменить форму твёрдого тела.
Однако, несмотря на большое внешнее различие трёх состояний, атомный и молекулярный состав вещества сохраняется во всех трёх случаях. Меняется лишь характер взаимного расположения и движения частиц.
Как же ведут себя молекулы и атомы в газах, жидкостях и твёрдых телах?
Начнём с простейшего состояния вещества — газо- образного. Молекулы газа находятся всё время в движении. Они движутся прямолинейно и равномерно, пока не наталкиваются друг на друга. После соударения молекулы разлетаются в разные стороны, как два столкнувшихся биллиардных шара. Эту картину ещё задолго до получения опытных доказательств гениально предвосхитил великий русский учёный М. В. Ломоносов; в своей работе «Попытка теории упругой силы воздуха» он разработал основные положения так называемой кинетической теории газов.
Беспорядочные столкновения приводят к тому, что молекулы газа движутся с разными, всё время меняющимися скоростями. Вот па одну молекулу налетела другая и подтолкнула её — движение ускорилось, а в следующий момент столкновение произошло со встречной молекулой — скорость резко уменьшилась. У каждой молекулы «жизнь» проходит в различных столкновениях и в движениях между столкновениями. По замечатегПьно следующее: при некоторой определённой температуре средние скорости движения молекул за большой отрезок времени одинаковы. Средняя скорость движения молекул определяется температурой и массой молекул. При одной и той же температуре быстрее движется более лёгкая молекула. При комнатной температуре, например, молекула кислорода имеет среднюю скорость около 500 метров в секунду, т. е, около 1800 километров в час! Более лёгкая мслекула водорода при этих же условиях движется в четыре раза быстрее — около 2000 метров в секунду! При температуре в 1000 градусов Цельсия молекулы кислорода и водорода будут иметь скорость 1000 и 40С0 метров в секунду.
Чем больше разрежение газа, тем больший путь проходят его молекулы без столкновения друг с другом. В нормальных условиях, например в атмосферном воздухе, молекулы пролетают без соударения в среднем участок пути длиной в одну десятую долю микрона.
Молекулы газа находятся на таком расстоянии друг от друга, что силы сцепления между ними не сказываются. Поэтому они и разлетаются в разные стороны. Инача обстоит дело с жидкостями.
В жидкости молекулы также расположены беспорядочно, но они находятся очень близко друг от друга; поэтому в них большее значение приобретают силы взаимного притяжения.
Из-за большой тесноты молекулы жидкости не могут двигаться свободно, как в газе.
Каждая молекула «топчется» всё время на одном и том же месте, а если сдвигается, то вместе со своими ближайшими соседями. Направленное движение молекулы получают лишь тогда, когда жидкость начинает течь.
А почему капля жидкости принимает шаровую форму?
Это тоже объясняется действием сил сцепления между молекулами.
Посмотрите на рисунок 11. Стрелками показаны силы, действующие на молекулу внутри жидкости и на молекулу, находящуюся на поверхности. Во втором случае молекула имеет соседей только снизу, и она будет притягиваться к внутренним слоям жидкости. Если имеется свободная капля жидкости, то со всех сторон на внутренние слои будет действовать сила со стороны верхних молекул. Капля равномерно сдавливается со всех сторон, Понятно, что при таком равномерном давлении она примет форму шара (рис. 12).
Перемещения молекул происходят у различных жидкостей с большей или меньшей силой. У очень вязких жидкостей перемещения молекулы как целого весьма затруднительны; а в таких жидкостях, как вар или стекло, свобода поступательного перемещения молекул может полностью отсутствовать. Эти вещества, практически, невозможно заставить течь, и они напоминают нам твёрдые тела. Несмотря на это, мы всё же причисляем стекло к жидкостям-, и вот по какой причине.
Если взять какое-либо твёрдое тело, например железо или поваренную соль, и нагревать их, то при строго определённой температуре (800 градусов — для поваренной соли и 1525 градусов — для железа) они начнут плавиться и станут жидкими.
Иначе обстоит дело со стеклом; при нагревании оно постепенно размягчается, становится всё менее и менее вязким и превращается в обычную жидкость таким незаметным переходом, что нельзя указать его температуры плавления.
Только те тела, которые имеют строго определённую температуру плавления, считаются твёрдыми. Строение таких тел резко отличается от строения стекла, молекулы которого расположены по отношению друг к другу так же беспорядочно, как и в обыкновенной жидкости.
Все истинно твёрдые тела построены совсем иначе, чем жидкости. Они имеют кристаллическое строение. Это значит, что они состоят из маленьких кристалликов. Кристалл — это правильная, как говорят, симметричная фигурка, ограниченная плоскими, как зеркало, поверхностями. Таковы, например, кристаллы крупной поваренной соли или сахара.
Такой кристалл можно разбить и истолочь на мельчайшие кусочки. Однако если посмотреть ка полученный порошок в микроскоп, то можно увидеть, что и обломки кристалла — кристаллические зёрнышки — сохраняют вид большого кристалла!
Представьте себе, что такой порошок спрессован в бесформенный кусок, и вы получите представление о строении подавляющего большинства окружающих нас
Рис. 12. Свободно падающая капля имеет форму шара. Лежащая капля сплющивается под действием силы тяжести.
твёрдых тел. Металлы, камни, краски, дерево — всё это мелкокристаллические тела, состоящие из маленьких обломков кристаллов. Из большинства этих веществ можно вырастить большие, хорошо огранённые кристаллы.
5. КРИСТАЛЛЫ
О природе встречаются кристаллы самых разнообраз-ных форм. Все они построены «правильно». Что значит быть правильно построенным?
Вырежем из бумаги фигурки произвольной формы и предположим, что это молекулы, — ведь мы говорили уже, что молекулы могут иметь самую различную форму. Будем укладывать на столе наши фигурки в один ряд. На рисунке 13 изображено несколько таких рядов.
Без всякого раздумья можно сказать, какой из рядов построен неправильно. Это — самый верхний ряд. В то же время мы видим, что правильно построенных рядов несколько, и все они отличаются друг от друга.
«Правильность» состоит в том, что расположение каждой фигурки связано с расположением её соседей. Связано в том смысле, что, зная расположение одной фигурки, мы уже знаем всё о расположении соседней фигурки.
На рисунке 13,6 все фигурки «параллельны» друг другу, точнее, каждая следующая получается сдвигом своей соседки вдоль линии. На рисунке 13, в фигурки расположены так, что одна фигурка является зеркальным отражением другой. На рисунке 13, г каждые две соседние фигурки переходят друг в друга более сложным образом — чтобы получить из одной частицы соседнюю, надо её перевернуть и сдвинуть. Все эти расположения по-разному симметричны, т. е. правильны.
Какое же из этих правильных расположений осуществится в природе? Оказывается, при строении кристалла молекулы располагаются так, чтобы оставалось как можно меньше пустоты, — это и есть основное правило кристаллизации*). Посмотрите на рисунок 13, в —
*) Редкое исключение из этого общего правила представляет лёд.
молекулы не укладываются в кристалл таким способом, как фигурки на этом рисунке, а упаковываются по типу, показанному на рисунке 13, б или 13, г.
Рис. 13. Несколько примеров рядов, построенных из одинаковых частиц.
Молекулы — это не фигурки из бумаги, а тела, обладающие объёмом. Однако их упаковка определяется темн же правилами: молекулы должны быть уложены симметрично и как можно плотнее друг к другу.
Посмотрите внимательно на фотографию на рисунке 14. Вы видите, как прилегают одни молекулы к другим! Они стремятся подойти друг к другу как можно ближе. И всё же остаётся ещё довольно много пустого места — до 30 процентов всего объёма кристалла.
Такой, построенный из молекул, кристалл называется молекулярным. Большинство веществ в природе кристаллизуется именно так. Но бывают случаи, когда «кирпичиками», составляющими кристалл, служат не молекулы, а атомы, или даже ионы.
Ионные кристаллы образуются теми веществами, у которых молекулы построены из атомов по первому способу.
Как было показано на рисунке 5, такие молекулы можно представлять себе как систему шаров. Соответственно этому и кристаллы представляют собой упаковки, подобные упаковкам шаров.
Попробуем построить ионный кристалл поваренной соли. Мы уже зуаем, что её молекула составлена из отрицательного иона хлора и положительного иона натрия. При этом отрицательные ионы почти всегда больше положительных. Из ионов хлора составляется плотная шаровая укладка, как показано на рисунке 15. Плотный шаровой слой можно построить только единственным способом — каждый шар окружён шестью соседями (рис. 15, а). Следующий такой же слой накладывается на предыдущий так, чтобы шары второго слоя попали на «лунки» первого. Очевидно, при этом можно занять не все лунки, а половину их (через одну). Таким же образом накладывается и третий слой (рис. 15,6). В полученной постройке остаётся, однако, много пустот; в них-то и разместятся маленькие положительные ионы натрия. Так возникает кристалл поваренной соли.
Так же будут строиться и другие ионные кристаллы.
Рис. 14. Плотная упаковка молекул.
На первый взгляд может показаться, что все ионные кристаллы должны быть почти одинаковыми. Это, однако, не так. Действительно, плотный шаровой слой можно составить одним единственным способом. Второй слой займёт половину лунок и ляжет на первый. Однако третий слой может лечь по-разному — он может лечь в лунки второго слоя так, чтобы расположиться над первым, а может лечь и в другие лунки. Такие же две возможности имеются у четвёртого слоя по отношению к третьему. Ясно, что, располагая по-разному один слой над другим, природа может построить на основе плотнейшей шаровой упаковки бесчисленное множество различных ионных кристаллов. Мы уже не говорим о различных возможностях (узорах) в распределении маленьких положительных ионов по пустотам шаровой упаковки.
Если из молекулярного кристалла мы могли выделить отдельную молекулу, то из ионного это сделать уже нельзя. Это — существенное отличие.
Почему нельзя выделить молекулу из ионного кристалла, объясняется очень просто. Возьмём, скажем, тот же кристалл поваренной соли. В этом кристалле каждый ион натрия окружён шестью ионами хлора и наоборот. Все шесть соседей одинаково близки к данному атому; выделить в таком кристалле какую-либо пару атомов, более тесно связанных друг с другом, нем с остальными соседями, не представляется возможным.
Посмотрим теперь, как устроен металлический кристалл. Возьмём знакомый нам металл натрий.
«Фотографию» атома натрия мы приводили выше (рис. 3). Напомним, что чёрный кружок посредине — это место, где находятся ядро и 10 электронов первых двух оболочек. Одиннадцатый — внешний — электрон может находиться в размытом кольце — он отделён от 10 других электронов.
Так как одиннадцатый электрон связан с ядром значительно слабее, чем остальные десять, то вполне естественно рассматривать комбинацию ядра атома натрия с десятью электронами как одно целое. Именно эта комбинация и есть ион натрия.
Когда образуется металл натрий из атомов, то каждый слой атомов имеет вид квадратной сетки; в углах этой сетки находятся центры атомов.
Атомы натрия находятся в сетке столь близко друг от друга (расстояние между центрами соседних атомов равно 4,3 ангстрема), что внешний, одиннадцатый, электрон каждого атома может находиться одинаково близко от многих атомов натрия. Размытое кольцо на рисунке 3 указывало путь одиннадцатого электрона. На рисунке 16 кольца (пути) этих внешних электронов у различных атомов слились. Внешние электроны могут поэтому свободно перемещаться по всем точкам сетки, образовавшейся из размытых колец. Благодаря такому слиянию колец, принадлежащих отдельным атомам, внешний электрон получает возможность движения не только вокруг одного атома, а может уже двигаться по всему металлу, обходя все атомы. Происходит «освобождение» внешних электронов. Освободившиеся электроны размывают картину, изображённую на рисунке 16, ещё больше. Они выходят за пределы своих оболочек и в результате
Рис. 16. Мысленная промежуточная картина, которая возникла бы при сближении атомов натрия.
образуют картину, показанную на рисунке 17, — это уже металл натрий, в котором нет и следа внешних электронных оболочек.
Как видите, строение металла натрия проще строения атома натрия; внешние, одиннадцатые, электроны распределены равномерно по всему металлу. Теперь электроны беспорядочно движутся по всему куску металла. «Запрещённых» мест для них нет, за исключением, конечно, мест, занятых положительными ионами. Картина движущихся беспорядочно частиц нам знакома — такую систему представляет собой газ, состоящий из беспорядочно движущихся молекул. Поэтому естественно назвать такое скопление беспорядочно движущихся электронов — электронным газом.
Таким образом, металл представляет собой решётку положительных ионов, «заполненную» электронным газом.
Таково строение всех металлов. Разница между ними только в том, что одни из них отдают на образование электронного газа один «свободный» электрон, другие — два и т. д.
Наличие электронного газа в металле объясняет те свойства, которые выделяют металлы среди всех других тел.
Так, например, все металлы очень хорошо проводят электричество.
Это вполне понятно, ведь электроны в металле свободны, и достаточно приложить к концам металлической проволоки небольшое электрическое напряжение, чтобы они пришли в движение. А ведь электрический ток в металлах есть не что иное, как поток электронов.
Исключительная прочность металлов также объясняется наличием электронного газа, который обволакивает все ионы, превращая металлический кристалл как бы в одно целое.
6. НЕВИДИМЫЕ ДВИЖЕНИЯ
Не существует материи без движения.
Все частицы вещества, как элементарные, так и сложные, находятся в состоянии непрерывного движения. Электроны в атоме движутся друг по отношению к другу. Атомы колеблются в молекуле. Молекула перемещается и вращается в газе, жидкости и твёрдом теле. Ионы и атомы кристалла также совершают колебания около своих положений равновесия.
Движение электрона внутри атома нельзя представить себе при помощи модели. Это объясняетсячтем, что благодаря своей малой массе электрон, как и другие элементарные частицы, ведёт себя не так, как частица, видимая глазом. Движение этих частиц подчиняется особым законам — квантовомеханическим, а не обычной механике, по законам которой движется, скажем, пуля или горошина.
Зато с полным основанием мы можем пользоваться моделями для того, чтобы представить движение атомов — частиц во много тысяч раз более тяжёлых, чем электроны.
На рисунках 18 и 19 изображены колебания атомов в молекулах углекислого газа и воды, строение которых было рассмотрено выше. Вы видите, что картина колебаний внутри молекулы довольно сложна.
В молекуле углекислого газа атомы имеют несколько видов движений: симметричное колебание (рис.18, а), при котором оба атома кислорода движутся в такт, попеременно, к атому углерода и от атома углерода; далее — несимметричное колебание (рис. 18,6) и угловое колебание (рис. 18, в), при котором атомы углерода и кислорода колеблются в направлении, перпендикулярном к соединяющей их линии; направления этих колебаний показаны на рисунке стрелками. Молекулы воды совершают три колебания тех же типов.
У молекулы ацетилена, состоящей из четырёх атомов, имеется уже 5 типов колебаний: два симметричных, одно несимметричное и два угловых. Все эти колебания накладываются друг на друга и происходят одновременно.
О том, что сама молекула движется, как целое, с большой скоростью в газах, а также обладает движением в жидкостях, мы уже говорили на страницах 24 и 25.
В молекулярном кристалле молекулы совершают колебания различного вида. Но поступательное движение, т. е. движение всё время в одном направлении, здесь, как и во всяком твёрдом теле, не происходит. В ионных и металлических кристаллах таким же образом ведут себя ионы. Колебания ионов не беспорядочны, а образуют волну, перекатывающуюся в кристалле взад и вперёд, наподобие того, как волна жидкости идёт то взад, то вцерёд в качающейся от движения руки ванночке. Образование такой «волны» объясняется силами сцепления, существующими между двумя соседними частицами. Если одна частица выходит из положения равновесия, то она обязательно потянет за собой следующую (рис. 20).
Все подробности строения атомов, молекул и кристаллов, о которых мы до сих пор говорили, невидимы не только простым, но и вооружённым глазом. Читатель вправе поэтому задать вопрос, а как же это узнали?
7. КАК ЭТО УЗНАЛИ
Это было установлено с помощью различных косвенных методов.
Чтобы изучить строение вещества, физики наблюдали за тем, как оно рассеивает рентгеновские лучи и пучки электронов, как поглощает и излучает свет; изучали электроизоляционные и магнитные свойства вещества, его электропроводимость и т. д. Каждое из этих наблюдений привело к созданию большого самостоятельного раздела физики. Так, за последние двадцать-тридцать лет появились новые разделы науки — рентгеноструктурный анализ, электронографический анализ, спектральный анализ, поляриметрия и другие.
Мы не можем здесь из-за недостатка места рассказать, в чём заключаются все эти методы. Расскажем лишь для примера о рентгеноструктурном анализе, т. е, о том, как изучают строение вещества при помощи рентгеновских лучей. Этот метод оказался наиболее полезным в определении расстояния между атомами.
Что представляют собой рентгеновские лучи? Это — невидимые глазом волны, распространяющиеся во все стороны от источника — рентгеновской трубки. Совершенно так же распространяются радиоволны от антенны радиостанции. Разница между этими двумя «сортами» невидимых волн в их длине (длиной волны называется расстояние между двумя горбами, или двумя впадинами, волны). Радиоволны имеют длину в десятка и сотни метров. Длина же рентгеновских волн не больше 2 ангстрем.
Очень небольшая длина рентгеновских волн и позволяет применить их для измерения расстояний Между атомами.
На рисунке 21 показано, как измеряют расстояния между атомами в кристалле.
Очень узкий рентгеновский луч падает на маленький кристалл; при этом направление луча образует с ребром Кристалла прямой угол.
Предположим, что наш кристалл состоит из атомов одного сорта. Вдоль ребра кристалла эти атомы располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга. Рентгеновский луч попадает на все атомы кристалла, и они начинают рассеивать его во все стороны. Это значит, что, кроме основного луча, который проходит через кристалл не отклонившись, возникают лучи, идущие во всех направлениях от каждого атома. При этом лучи, идущие от отдельных атомов, складываются. Это сложение может привести к усилению рассеянного луча или же уничтожению (рис. 22). Чтобы все волны рассеянных лучей распространялись так, чтобы горб одной приходился на горб другой и впадина одной — на впадину другой. Это будет в том случае, когда лучи направлены резко вверх (нижний рисунок). Напротив, если впадина одной волны приходится на горб другой, то рассеянный луч исчезает (верхний рисунок).
Итак, при падении рентгеновского луча на кристалл, кроме луча, прошедшего без отклонения, возникает один или несколько рассеянных лучей. Они идут под вполне определёнными углами к падающему лучу. При этом, как видно из рисунка 22, усиленный рассеянный луч возникает тогда, когда пути, пройденные волнами от любых двух соседних точек до их общего фронта (например, до пунктирной линии отличаются друг от друга на одну длину волны. Это означает, что угол отклонения рассеянного луча определяется отношением длины волны к расстоянию между атомами. Таким образом, если длина волны нам известна, а угол отклонения рассеянного луча можно измерить, то можно вычислить и расстояние между атомами.
8. СТРОЕНИЕ, ВИДИМОЕ ВООРУЖЁННЫМ ГЛАЗОМ
Мы не имеем приборов, при помощи которых можно было бы увидеть атом. Нельзя также увидеть, как построена молекула из атомов. Предел нашего видения — это крупная молекула размером примерно в 100 ангстрем. Такую молекулу можно увидеть с помощью электронного микроскопа, как отдельную точку. Однако микроскопы во многом помогают при изучении строения вещества.
В настоящее время в распоряжении учёных имеется два типа микроскопов: обычный, так называемый опти-чес к и й микроскоп и электронный микроскоп. В первом из них рассматриваемый предмет освещается дневным светом или светом лампы. Во втором — предмет «освещается» пучком электронов. Электронные «лучи», подобно лучам света, действуют на фотопластинку. Электронный микроскоп даёт во много раз большее увеличение, чем оптический.
Что же можно узнать о строении вещества с помощью микроскопов? Прежде всего можно исследовать, из каких кристаллов построены твёрдые мелкокристаллические тела.
Мы уже говорили, что большинство твёрдых тел построено из маленьких кристаллов, т. е. представляет собой как бы спрессованный кристаллический порошок. Ярче всего выражено такое строение у металлов и сплавов. Когда из расплавленного металла отливают какой-
Рис. 23. Микрофотография металлического сплава.
либо предмет, то при охлаждении этого предмета сразу во многих местах начинают расти кристаллики. При этом каждый кристаллический зародыш растёт во все стороны до тех пор, пока не встретится с другим кристалликом, растущим из соседнего места. Из-за тесноты и беспорядочного расположения кристаллов окончательная форма каждого отдельного кристаллика, или, как говорят, кристаллического зерна, может быть какой угодно. Типичная картина приведена на рис. 23.
По таким фотографиям и определяют, какие изменения происходят с кристаллическими зёрнами при той или иной обработке металла. Получают такие фотографии при помощи специальных металлмикроскопов.
Размеры кристаллических зёрен колеблются обычно от микрона до десятой доли миллиметра.
Если литой металл подвергнуть механической обработке, скажем, прокатке или протяжке, то происходит раздробление кристаллических зёрен. Одновременно под действием механических сил зёрна ориентируются,
то-есть в их расположении появляется некоторый порядок.
О какой ориентации здесь идёт ДОШ речь? Ведь обломки зёрен совершенно бесформенны. Это верно, внешняя форма обломка может быть какой угодно, но обломок кристалла есть всё же кристалл; он построен совершенно правильно из шарообразных ионов. Поэтому в каждом обломке можно «найти» плотно заполненную шарами плоскость, такую, как на рисунке 15. Эти плоскости можно провести во всех обломках кристаллов. И вот до обработки эти плоскости расположены обычно, совершенно беспорядочно (рис. 24, а); после же обработки они занимают определённое положение по отношению к оси протяжки или к плоскости и направлению проката (рис. 24, б). Такое упорядоченное или ориентированное расположение кристаллов называют т е к с т у р о й. В зависимости от степени обработки текстура может быть более или менее совершенной.
Если прокатанный или протянутый металл подвергнуть нагреванию (отжигу), то происходит процесс новой кристаллизации. Внутри твёрдого металла начинается при высокой температуре рост новых кристаллов за счёт старых. Происходит обновление металла.
Исследование всех этих процессов с успехом проводится с помощью оптического металлмикроскопа.
Исключительно интересные результаты даёт рассмотрение поверхности металла при помощи электронных «лучей». За последние несколько лет для рассмотрения ориентированные, справа — ориентированные кристаллики. Для ясности кристаллические зёрнышки изображены на большом расстоянии друг от друга. На самом деле они почти вплотную примыкают друг к другу. Ряд чёрных точек внутри зёрнышка указывает направление плоскостей атомов в нём.
поверхностей в электронном микроскопе был разработан так называемый метод реплики. Реплика — это тонкая плёнка, на которую переносится форма поверхности изучаемого предмета. Делается она, например, следующим образом: на поверхность предмета наливается раствор химического вещества — формвара. Растворитель улетучивается, и на поверхности вещества остаётся плёнка формвара. Эта плёнка, гладкая снаружи, со стороны, примыкающей к предмету, принимает форму его поверхности — вернее, обратную, негативную форму, так как там, где было углубление, будет возвышенность, и наоборот. Эта плёнка снимается с предмета либо при помощи бритвы, либо растворением в такой жидкости, которая раст- рис 25. Поверхность одиночного кри-воряет предмет, но сталла (вверху) и кристалла двошшка оставляет плёнку не- (внизу) одного и того же вещества, тронутой.
Однако рассмотрение негатива не вполне удобно. Поэтому чаще пользуются так называемым двухступенчатым методом. В этом случае негатив получается в виде отпечатка на особом веществе — полистироле. Затем отпечаток обрабатывается парами химического элемента кремния, который осаждается в виде тонкой плёнки. Эта плёнка и образует позитив, т. е. уже не обрат-
ную, а действительную форму поверхности предмета. Плёнка отделяется от полистирола и рассматривается •или фотографируется в электронном микроскопе.
На рисунке 25 изображены две такие фотографии. Это — поверхность магниево-алюминиевого кристалла. Мы видим, что «идеально гладкая» поверхность кристалла на самом деле далеко не гладка. Особенно интересна нижняя фотография; она показывает границу между двумя сросшимися различно ориентированными кристаллами (кристаллический двойник).
Наблюдения в микроскопе можно производить и над порошками. В этом случае тонкий слой порошка помещается на прозрачную тончайшую плёнку (в электронном микроскопе) или на предметное стекло (в обычном микроскопе). Такие исследования проводятся обычно для oripeделения размера и формы частиц.
9. ЗАЧЕМ НУЖНО ИЗУЧАТЬ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Прочитав всё, что написано выше, вы можете сказать: — Всё это интересно, но зачем это нужно? К чему знать, сколько электронов в атоме и как расположены атомы в молекуле? Какое значение это имеет для жизни?
Оказывается, развитие всей современной техники немыслимо без знания строения вещества. Это можно подтвердить примером из любой отрасли промышленности. Скажем, надо улучшить процесс переработки нефти, сделать его дешевле, дать те продукты, которые нужны стране. Это значит, надо изменить технологию производства, найти вместо одних химических превращений другие — лучшие. Как это можно сделать?
Химик знает, как построены исходные молекулы, знает, как построена и молекула того вещества, которое он хочет получить. Расстояния между атомами в этих молекулах и их взаимное расположение подсказывают ему, как надо вести процесс. Чтобы процесс шёл легко, надо разрывать наименее сильные связи между атомами. А сила связи определяется строением молекулы. Значит, необходимо знать, сколько электронов связывают те или иные два атома и на каком расстоянии они находятся.
Не зная всего этого, пришлось бы испытывать десятки и сотни разных способов, потратить много времени и средств прежде, чем найти наилучшее изменение процесса. Следовательно, изучать строение молекул тех веществ, которые важны для промышленности, необходимо.
Но зачем изучать строение всех молекул, зачем изучать строение кристаллов?
Знание строения молекул веществ, не имеющих промышленного значения сегодня, может понадобиться завтра. Исследуя же твёрдое вещество, мы имеем дело с кристаллом. И даже в том случае, если нас интересует только молекула, мы должны изучить, как расположены молекулы в кристалле. Иначе мы к ним «не подберёмся».
Мы уже говорили выше, что по свойствам вещества судят о строении молекул. Но отсюда следует и обратное: строение молекулы определяет свойства вещества. Значит, изучив строение молекулы по каким-либо одним «приметам», можно угадать, какие у вещества должны быть и другие свойства. Связь между строением и свойствами помогает в поисках веществ с новыми, нужными для промышленности свойствами.
Польза микроскопических исследований также ясна. Они во многих случаях являются даже средством заводского контроля. Ведь размерами и формой частиц определяется качество материалов и изделий.
Строение вещества изучается как в Советском Союзе, так и в капиталистических странах. Но нельзя забывать о том, что цели наших учёных и цели учёных капиталистических стран резко различны. Наука поставлена в Советском Союзе на службу строительства коммунизма; всё, что делается в наших лабораториях, преследует осуществление этой благородной цели. Напротив, исследования строения вещества и в особенности строения атомного ядра, которые проводятся в капиталистических странах, направлены на подготовку новой захватнической войны, на уничтожение мирного населения.
Изучение строения атома и атомного ядра приводит к новым более глубоким представлениям о материи.
Вооружённые острым и могущественным орудием — диалектическим материализмом, — советские учёные с каждым новым научным открытием углубляют своё представление о строении материи, находят новые подтверждения законов сохранения, неразрушимости материи, строгой закономерности, отсутствия случайности в физических процессах, протекающих в микромире. Работы советских учёных, изучающих строение вещества, ещё и ещё раз с полной убедительностью показывают, что нет во Вселенной места для духа или бога.
Иначе обстоит дело в капиталистических странах. Реакционные учёные, находясь на службе у империализма, отрицают объективное существование элементарных частиц помимо наблюдателя, пытаются доказать, что во многих; процессах, происходящих в природе, нет закономерности, что в микромире нарушается абсолютный закон природы — закон сохранения материи, и таким образом договариваются до того, что мир был «сотворён» богом, что электрон якобы имеет «свободу воли», и до прочей антинаучной ерунды. Хорошую услугу оказывают эти люди капиталистам в пропаганде мистических и религиозных предрассудков.
Два мира, две системы и две науки!
А. А. ЛОанов в выступлении на философской дискуссии 24 июня 1947 года указал, что идеалистическая философия теперь предстаёт в своём новом отвратительно грязном естестве, отражающем всю глубину, низость и мерзость падения буржуазии. «Взять хотя бы учение английского астронома Эддингтона о физических константах мира, которое прямёхонько приводит к пифагорейской мистике чисел и из математических формул выводит такие «существенные константы» мира, как апокалиптическое число 666, и т. д. Не понимая диалектического хода познания, соотношения абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйнштейна, перенося результаты исследования законов движения конечной, ограниченной области вселенной на всю бесконечную вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во времени и пространстве, а астроном Милн даже «подсчитал», что мир создан 2 миллиарда лет тому назад. К этим английским учёным применимы, пожалуй, слова их великого соотечественника, философа Бэкона о том, что они обращают бессилие своей науки в клевету против природы.
В равной мере кантианские выверты современных буржуазных атомных физиков приводят их к выводам о «свободе воли» у электрона, к попыткам изобразить материю только лишь как некоторую совокупность волн и к прочей чертовщине».
Буржуазные учёные провозглашают принцип якобы независимости и беспристрастности науки, но на деле всё больше и больше посвящают свои труды пропаганде мракобесия, поповщины, идеализма, выступают против революционного, передового марксистско-ленинского мировоззрения, против советской страны, победоносно строящей коммунизм.
Советские учёные, овладевая марксистской теорией, ведут беспощадную борьбу с враждебной идеологией за рубежом, с пережитками буржуазной идеологии в сознании советских людей.
Вдохновляемые партией Ленина — Сталина, они двигают неустанно нашу науку вперёд, вооружают тружеников социалистического общества сознанием закономерности нашего пути научно обоснованной уверенностью в конечной победе нашего дела.
Наука в Советском Союзе является самой передовой наукой в мире. Возможности её развития безграничны. Расцвет советской науки, все работы и достижения советских учёных, направленные на раскрытие тайн природы, служат советскому народу, помогают ему жить, творить и преодолевать все препятствия на пути строительства коммунизма.
В изучении строения вещества нашим отечественным учёным принадлежат большие заслуги. Мы уже говорили о замечательных работах великих русских учёных М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова. К ним можно добавить имена создателя современной кристаллографии Е. С. Фёдорова, известного русского кристаллографа Г. В. Вульфа, творца физико-химического анализа Н. С. Курнакова и многих других.
Заслуженной известностью пользуются работы советских исследователей вещества. В области изучения эле* ментарных частиц мы имеем замечательные работы акад. А. И. Алиханова и чл.-корр. Академии Наук СССР А. И. Алиханьяна. Большую роль в развитии учения об электроне сыграли работы академика А. Ф. Иоффе.
Мы уже говорили о работах проф. Д. Д. Иваненко, который впервые предложил современную модель строения атомного ядра.
В области строения молекул с большим успехом работают акад. А. Н. Теренин, чл.-корр. Академии наук СССР Я. К. Сыркин. В учение о строении твёрдых тел внесли много нового чл.-корр. Н. В. Белов и проф. Кузнецов. В развитии учения о строении вещества имело значение открытие академиками Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом явления комбинационного рассеяния света.
Мы ограничились лишь немногими примерами. Многочисленные советские учёные плодотворно работают в области исследования вещества.
Огромная работа, проведённая в области, казалось бы, далёкой от жизни, не только не пропала даром, но, напротив, вся современная техника выросла из этой работы.
Теория и практика научно-технической деятельности связаны в неразрывное целое и направлены у нас к одной цели — построению коммунизма. |||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) —
творческая студия БК-МТГК.
|
