12.2.Первые попытки классификации атомов вещества и определения их размеров

Исследования в области физики и химии проводились параллельно. Невозможно строго разделить эксперименты на чисто физические или химические. Проверка гипотезы атомарного строения вещества была принципиально важной задачей для обе-их наук.

А. Л. Лавуазье сформулировал закон сохранения массы в химических реакциях и разделил все вещества на химические элементы и соединения. Этот же вывод был независимо сделан в работах М.В. Ломоносова. Сегодня закон сохранения вещества называется «Закон сохранения вещества Ломоносова-Лавуазье»: «… если где-то чего-то убудет, то в другом место того же столько же и прибудет».

В атомном строении материи был убеждён и Дж. Дальтон - по образованию – натурфилософ, по профессии – учитель мате-матики, по научным интересам – химик. К 1804 г. было известно менее 30 химических элементов. Дж. Дальтон ввёл этот термин понимая под ним вещество, состоящее из атомов одного типа. Д. Дальтон составил и первую таблицу химических элементов.

В основе теории Дж. Дальтона лежали следующие поло-жения:

1. Все химические элементы состоят из мельчайших час-тиц, называемых атомами.

2. Атомы данного химического элемента имеют одинако-вую массу и химические свойства.

3. Атомы разных элементов имеют различные массы и химические свойства.

4. Атомы могут соединяться в простых целочисленных соотношениях, образуя соединения.

Современная наука определяет атом как мельчайшую час-тицу вещества, сохраняющую его физические свойства, а моле-кулу как мельчайшую частицу вещества, сохраняющую его хи-мические свойства. Молекулы состоят из атомов, атомы состоят из элементарных частиц, а строение элементарных частиц описы-вается введением понятия кварков. Различают также субкварко-вую структуру.

Теория Дж. Дальтона не давала ответов на вопросы, сколько атомов существует, что собой представляют разные ве-щества, каковы свойства самих атомов, есть ли у них неизвест-ные ранее свойства и качества. Вопрос о классификации химиче-ских веществ сводился к вопросу о классификации атомов. Физи-ка и химия объединили свои усилия. Возможно, именно в это время впервые проявилась тенденция интеграции естественных наук, ставшая основой развития науки в целом в XX в.

Современные представления о строении элементов изло-жены в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

12.3.Броуновское движение. Его роль в развитии представлений молекулярно-кинетической теории строения вещества

В правоте Демокрита и его последователей впервые на-глядно мог убедиться шотландский ботаник Р. Броун. Традици-онно натуралисты начинали свои научные исследования со сбора материала, поэтому ученый многие годы провёл в экспедициях. Будучи по образованию ботаником, Р. Броун собрал коллекцию в несколько тысяч видов растений в Австралии. Описание коллек-ции заняло почти 20 лет. Летом 1827 г. Р. Броун, работая с образ-цами, обратил внимание на то, что мельчайшая пыльца растений произвольно двигается в воде под действием силы неизвестной природы. Он написал статью «Краткий отчёт о микроскопиче-ских наблюдениях, проделанных в июне, июле и августе 1827 г. над частицами, содержащимися в пыльце растений и о существо-вании активных молекул в органических и неорганических те-лах». Предположение о наличии неизвестной силы, приводящей в движение частички, было воспринято критически – механика на-столько полно описывала все известные к тому времени явления, что её называли «царицей наук». Предположить, что в «универ-сальной» механике не описана совсем новая сила было очень трудно.

Изучение открытого вида движения продолжили голлан-дец П. Карбонэль и француз Л.Ж. Гуи. В ходе опытов они выяс-нили, что броуновское движение не зависит от внешних воздей-ствий: времени года и суток, добавлений солей, вида пыльцы и «… наблюдается одинаково хорошо ночью в деревне и днём вблизи многолюдной улицы, где проезжают тяжёлые экипажи». Оно не зависит даже от вида частичек, а только от их размеров и массы и, что самое главное, никогда не прекращается.

Лишь через сорок лет было высказано предположение, что видимые в микроскоп беспорядочные движения пыльцы рас-тений вызваны случайными толчками маленьких невидимых час-тиц жидкости (молекул). Благодаря работам Л.Ж. Гуи в это пове-рили почти все, и гипотеза об атомах приобрела множество по-следователей.

Полная теория броуновского движения была дана А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905 – 1906 гг. Причины бро-уновского движения – в тепловом движении молекул среды и от-сутствии точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул. Броуновское движение обу-словлено флуктуациями давления. Удары молекул среды приво-дят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меня-ется по величине и направлению. Если фиксировать положение частиц через небольшие равные промежутки времени, то постро-енная таким методом траектория оказывается чрезвычайно слож-ной и запутанной.

Броуновское движение - наиболее наглядное эксперимен-тальное подтверждение представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул. Теория броуновского движения проясняет статистиче-скую природу второго начала термодинамики и показывает гра-ницы его применимости. Она позволила уточнить критерии обра-тимости и необратимости молекулярных процессов и показать, что различие между ними не носит абсолютного характера. По теории М. Смолуховского, процесс является необратимым, если переход из рассматриваемого состояния в исходное требует большого времени, и обратимым, если время возврата невелико.

Экспериментально предложенная теория броуновского движения была подтверждена в работах француза Ж. Б. Перрена.

Теория броуновского движения находит применение во многих областях науки и техники, например, в физической химии дисперсных систем. На ней основаны кинетическая теория коагу-ляции растворов; теория седиментации равновесия (равновесия дисперсных систем в поле сил тяготения или в поле центробеж-ной силы). В метрологии броуновское движение рассматривается как основной фактор, ограничивающий чувствительность изме-рительных приборов. Предел точности измерений оказывается достигнутым, когда броуновское смещение подвижных частей измерительного прибора по порядку величины совпадает со сме-щением, вызванным измеряемым эффектом.

А. Авогадро, итальянский учёный, нашел простое реше-ние задачи о нахождении относительной молекулярной массы. При одинаковых условиях (температуре и давлении) в одинако-вых объёмах газов содержится равное количество молекул. Это утверждение носит название «закон Авогадро»: отношение масс молекул равно отношению плотностей газов. Из опыта А. Аво-гадро определил, что масса молекулы кислорода примерно в 15 раз больше массы молекулы водорода (точнее, в 16 раз).

К этому времени математика давно стала основным язы-ком науки. Естественные науки основываются на количествен-ных измерениях, но технические возможности существенно от-стают от теоретических разработок. Поэтому размеры атома бы-ли не измерены, а оценены достаточно точно. Первые количест-венные оценки размеров атомов были опубликованы в работах Й. Лошмидта в 1895 г. Й. Лошмидт привёл следующие оценки: раз-меры всех атомов примерно одинаковы и равны м, а масса атома по порядку величины составляет кг.

Это - столь малые числа, что их нельзя представить, даже использовав всё воображение. Их просто не с чем сравнить.

Итогом экспериментов Й. Лошмидта стала постоянная, которая сегодня носит его имя – постоянная Лошмидта. Это - ко-личество молекул газа в одном кубическом метре (1м ) при нор-мальных температуре и давлении ( )

L=2,68676 м .

Классическим считается опыт по определению размера молекулы, проведённый английским физиком Дж. У. Стреттом, лордом Рэлеем. Учёный поместил на поверхность воды каплю масла и наблюдал, как, растекаясь, масло образует на поверхно-сти воды плёнку. Когда растекание прекратилось (молекула мас-ла образовала мономолекулярную плёнку толщиной в одну моле-кулу), была измерена площадь масляного пятна. Разделив объём капли на площадь пятна, считается опыт по определению размера молекулы, проведённый английским физиком Дж. У. Стретт по-лучил диаметр одной молекулы. Он оказался равным примерно м.