|
|
|
Броуново движение
|
Броуново движение можно наблюдать в микроскоп в капле разведенной туши. При этом ясно видно, как маленькие частицы сажи, из которой приготовляется тушь, беспорядочно приплясывая, двигаются в прозрачной жидкости. Это движение служит доказательством существования движения еще более мелких частиц - молекул жидкости, невидимых даже в самые сильные оптические микроскопы. Удары невидимых молекул приводят видимые частицы сажи в заметное движение, подобно тому, как легкая зыбь на поверхности моря, незаметная издалека, заметно покачивает лодку, выдавая волнение воды. В поле зрения микроскопа было видно много черных кусочков различных размеров. Крупные частицы, получая за некоторый промежуток времени примерно одинаковое число толчков во всех направлениях, не приходят в сколько-нибудь заметное движение. Другое дело малые частицы: за короткий промежуток времени они испытывают случайные односторонние удары, отбрасывающие их в сторону.
Чтобы наблюдать броуново движение, надо выбрать мелкие частицы сажи, терпеливо следить за их движением и отмечать на листе бумаги положение этих частиц через равные промежутки времени, например через 30 секунд. Соединив отмеченные точки прямыми линиями, из многочисленных отрезков прямых получим сложную ломаную линию, показывающую беспорядочное движение частицы.
Надо иметь в виду, что действительная траектория частицы еще сложнее, так как в течение отдельных полуминут частица перемещалась не по прямой, а делала множество более мелких движений в различных направлениях.
|
|
Существует и другое доказательство движения молекул - диффузия - проникновение частиц одной жидкости (или газа) между молекулами другой. Даже в твердых телах при длительном соприкосновении их удавалось наблюдать диффузию.
Как узнали, сколько молекул содержится в одном кубическом сантиметре газа, каковы размеры молекул, их масса, скорость движения? Разве это возможно? Молекулы не видны, а их считают, измеряют, определяют их скорости!
Различными способами (они изучаются в высшей школе) найдено, что в 1 см3 любого газа при нормальных условиях (00 С и 760 мм рт. ст.) содержится около 2,7х1019 молекул.
Чтобы представить себе, насколько велико это число, рассмотрим следующие примеры.
Представим себе ампулу емкостью в 1 см3. Допустим, что ампула пуста. Каким-либо образом пробьем в ампуле тончайшее отверстие, такое, чтобы через него в 1 секунду могло проникать внутрь ампулы по 100 млн. молекул воздуха. Спрашивается, сколько времени понадобится, чтобы таким путем наполнить ампулу до нормальной плотности?
Подсчет показывает, что для этого нужно будет около 9000 лет.
Другой пример. Если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1см3 газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в четыре раза высоту 10-этажного дома.
В капельке воды диаметром примерно 0,1 мм содержится 1016 молекул, т. е. в миллионы раз больше, чем людей на Земле.
Но все же, как подсчитали число молекул?
Читателей, наверное, тоже интересует этот вопрос. Поэтому дадим некоторое представление о способах определения числа молекул в единице объема. Таких способов около 20. Мы расскажем только об одном, связанном с вышеописанным броуновым движением. Но прежде напомним еще раз картинку этого движения. Для тех, кому никогда не приходилось наблюдать его в микроскоп, считаем не лишним привести описание пляски пылинок в воздухе, которые становятся заметными при косом освещении солнцем.
Вот как римский поэт Лукреций (II век н. э.) описывает в своей философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.
....................................................
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи так же движения,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Вечно туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.
Конечно, это только модель, истинное броуново движение наблюдается для частиц менee массивных, меньших по размерам, чем 0,0004 мм. От движения молекул зависит тепловое состояние тела. Чем оживленнее беспорядочное движение молекул, тем более нагрето тело. Термин «беспорядочное движение молекул» с полным правом может быть заменен термином «тепловое движение молекул».
Вследствие хаотического движения молекулы, разлетаясь во все стороны, должны бы равномерно распределиться в предоставленном им объеме. Почему же воздух, окружающий Землю, не разлетается по всему мировому пространству? Его удерживает притяжение к 3емле. Это притяжение нарушает равномерное распределение молекул в мировом пространстве, и если бы не тепловое движение, то все молекулы упали бы на Землю. В результате борьбы этих двух движений - падения вниз и стремления равномерно рассеяться в окружающем пространстве - в атмосфере наблюдается закономерное распределение плотности воздуха. Молекулы собираются гуще в нижних слоях и реже в верхних. Maтематическое выражение этой закономерности дается довольно сложной формулой, называемой барометрической.
Такое закономерное распределение неизменно, сколько бы времени мы ни наблюдали. Этот закон распределения применим, оказывается, не только к атмосфере Земли, но и к растворам, содержащим множество мелких частичек во взвешенном состоянии. Французский физик Перрен, изучавший броуново движение, производил опыты с эмульсией спиртового раствора смолы гуммигута или мастики в воде. Предварительно жидкость подвергалась многократному центрифугированию для получения эмульсии, состоящей из очень мелких зернышек одинакового размера. Капля эмульсии помещалась в стеклянную кюветку и рассматривалась в микроскоп через маленькую диафрагму. Тогда в поле зрения можно было пересчитать видимые частицы. Изменяя высоту подвижной части микроскопа, можно получать четкие изображения частиц в разных слоях эмульсии, расположенных на разных глубинах кюветки. В одном из этих слоев и подсчитывались зерна эмульсии. Чтобы исключить случайность распределения частиц, брали среднее значение из нескольких тысяч измерений. Применяя к этому распределению барометрическую формулу, Перрен смог определить число молекул в 1 моле любого газа.
Полученное значение очень мало отличалось от значения того же числа, определенного при помощи других способов. В настоящее время число молекул в 1 моле любого газа считают равным 6,02 х 1023. Это число называют числом Авогадро. Из курса физики и химии известно, что 1 моль газа при нормальных условиях занимает, объем 22,4 л. Отсюда легко определить и число молекул в 1 см3 газа при нормальных условиях:
(6,02 х 1023)/(22,4 х 103)= 2,7 х 1019 молекул/см3
Нет, конечно, необходимости объяснять, что найденное число передает только порядок количества молекул, т. е. оно приведено так же округленно, как, скажем, число, характеризующее плотность населения какого-нибудь города.
А как определили размеры молекул?
|
|
Огромное число молекул, содержащихся в 1 см3 газа, указывает на очень малые размеры самих молекул. Даже в самый сильный микроскоп мы не можем увидеть молекул простого вещества. Только электронные микроскопы позволяют различить очертания некоторых сложных молекул, состоящих из сотен атомов. Посмотрите на рисунок, где приведена фотография молекул вируса гриппа, полученная с помощью электронного микроскопа. Каждый из видимых на этой фотографии шариков представляет собой сложную молекулу. Не следует, однако, думать, что молекулы всегда имеют шаровую форму. Строение молекул некоторых веществ очень сложное. На рисунке вы видите объемную модель молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Существуют разнообразные способы определения размеров молекул. Один из них состоит в следующем. Если вылить на поверхность воды в каком-нибудь сосуде крошечную капельку масла, она растечется, образовав на воде тончайшую пленку. Как бы ни была тонка эта пленка, она состоит не меньше чем из одного слоя молекул, Определить толщину этой пленки нетрудно. Допустим, что мы вылили капельку масла объемом 0,001 см3 на поверхность воды; при этом оказалось, что, растекаясь, капелька масла образовала тонкую пленку площадью 0,5 м2, т. е. 5000 см2. 3ная объем пленки (равный объему капельки) и величину ее поверхности, найдем толщину пленки.
|
|
|
d = 0,001 см3/5000см2=2х10-7см
Поперечник одной молекулы на самом деле еще меньше. Точные измерения и расчет показывают, что диаметр молекул (если принимать их за шары) - порядка двух стомиллионных долей сантиметра (2х10-8 см).
Почему бы и вам не проделать этот опыт?
Возьмите большой таз, налейте в него воды и при помощи пипетки капните маленькую капельку подсолнечного масла на воду. Как интересно! Упавшая капля начинает растекаться по поверхности, вокруг центра падения расходятся радужные кольца. Вы только собрались измерить наибольший диаметр расплывшейся масляной пленки, как в различных местах появились разрывы. Их становилось все больше и больше, и скоро вся поверхность покрылась своеобразной мозаикой. Исчезла и радужная окраска.
Попытка повторить опыт, капнув новую каплю, ни к чему не приводит: капли перестали расплываться, радужной окраски тоже нет. Очевидно, незаметный глазу слой покрывает поверхность воды цельной масляной пленкой. Толщина ее соответствует диаметру молекул.
|
|
"Беседы по физике" М.И.Блудов
|
|
|
|
