Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

       

§ 2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

  • «Если бы в результате какой-либо мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

    В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть-чуть соображения».

    Приведенное нами высказывание принадлежит выдающемуся американскому физику Р. Фейнману. Итак, в основе молекулярно-кинетической теории лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально', вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Доказательства существования молекул

Предположение о том, что все тела состоят из отдельных частиц и, следовательно, ни одно тело нельзя разделить на сколь угодно малые части, высказывалось Демокритом и другими древнегреческими мыслителями еще за 2500 лет до нашего времени. Качественное объяснение многих явлений с помощью молекулярной теории было дано в XVIII в. Однако бесспорные доказательства существования молекул и атомов удалось получить только в начале XX в. Дело в том, что атомы очень малы. Они не видны не только простым глазом, но и в обычный оптический микроскоп. Именно поэтому все тела кажутся нам сплошными.

Первое убедительное, хотя и косвенное, доказательство существования атомов и молекул было получено английским химиком Д. Дальтоном (1766—1844). Дальтон объяснил закон постоянных отношений. Согласно этому закону при образовании любых химических соединений массы реагирующих веществ находятся в строго определенных отношениях. Так, например, при образовании воды из водорода и кислорода отношение масс прореагировавших газов водорода и кислорода всегда равно 1:8. Этот факт становится понятным лишь в том случае, если допустить, что при образовании мельчайшей частички воды — молекулы — некоторое определенное число атомов водорода соединяется с определенным числом атомов кислорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому отношение масс водорода и кислорода при образовании воды должно быть равно отношению удвоенной массы атома водорода к массе атома кислорода. Это отношение не может измениться ни при каких условиях.

Мы не будем перечислять все известные сейчас доказательства существования атомов и молекул. В этом нет никакой необходимости. Современные приборы позволяют рассматривать отдельные атомы на поверхностях тел и измерять их размеры. Самый совершенный из них, называемый туннельным микроскопом, был создан в середине 8.0-х годов XX в. сотрудниками знаменитой компьютерной фирмы IBM (г. Цюрих) Г. Биннингом и Г. Рорером, удостоенными за его изобретение Нобелевской премии.

Туннельный микроскоп

Саму идею туннельного микроскопа понять не очень сложно. Изготовляется чрезвычайно тонкое вольфрамовое острие-зонд (рис. 2.1), настолько тонкое, что оно заканчивается одним или несколькими атомами. Острие почти вплотную подводится к поверхности проводящего электрический ток вещества. При этом электронные облака атома на кончике острия и ближайшего к нему атома поверхности начнут перекрываться. Если приложить небольшое (порядка 0,01 В) напряжение к поверхности и острию, то в зазоре острие — поверхность появится слабый ток — порядка миллиардных долей ампера. Этот ток называется туннельным. (Его появление объясняется с помощью квантового эффекта, называемого туннельным.) Туннельный ток чрезвычайно сильно зависит от расстояния между зондом и поверхностью. При изменении расстояния на 2 • 10-8 см (примерно на размер атома) сила тока изменяется в тысячи раз.

Рис. 2.1

Если острие перемещать вдоль поверхности, то сила тока должна меняться в очень широких пределах, увеличиваясь при прохождении зонда над атомом и уменьшаясь до ничтожных значений, когда зонд зависает над промежутком между атомами поверхности. Это очень неудобно для регистрирующей ток системы, не говоря уже о том, что острие может просто зацепиться за неровность недостаточно тщательно отшлифованной поверхности. Чтобы избежать этого, используют следующий прием: специальное устройство перемещает зонд по вертикали таким образом, чтобы протекающий через прибор ток оставался неизменным. Это достигается с помощью устройства обратной связи, которое улавливает изменение силы тока и дает команду приблизить зонд к поверхности или удалить от нее.

Основная проблема состоит в том, чтобы зонд перемещать контролируемым образом на расстояния в миллиардные доли метра (~1 нм). Это достигается с помощью так называемого пьезоэлектрического манипулятора. Некоторые кристаллы, например кварц, и специальные керамики слегка меняют свои размеры под действием электрического поля. В этом состоит явление пьезоэлектрического эффекта. Электрические поля создаются тонкими металлическими пленками, напыляемыми на поверхность керамики. При изменении напряжения на десятые доли вольта размеры керамических стержней меняются приблизительно на размер атома.

Несложная конструкция из трех взаимно перпендикулярных керамических стержней обеспечивает перемещение острия по всем направлениям (рис. 2.2). Меняющиеся напряжения на стержнях вызывают перемещение острия вдоль параллельных линий, отстоящих друг от друга на заданные расстояния (сканирование). Одновременно происходит перемещение острия по вертикали, обеспечивающее фиксированную силу тока.

Рис. 2.2

Полученная информация о перемещениях острия обрабатывается компьютером и подается на принтер (печатающее устройство) или непосредственно на экран дисплея, на котором и получается изображение атомов на поверхности образца. На рисунке 2.3 показано изображение поверхности графита, полученное в лаборатории кафедры квантовой радиофизики МГУ в 1991 г.

Рис. 2.3

С помощью туннельного микроскопа можно не только получать атомное изображение поверхности, но и перемещать по ней атомы в произвольном направлении. Для этого на очищенную поверхность кристалла никеля напыляют небольшое количество атомов ксенона. Поверхность охлаждается до -269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов ксенона вследствие теплового движения. Увеличивая напряжение между острием и никелевой подложкой, можно зацепить на острие отдельный атом ксенона и перенести его в нужном направлении. Уменьшив затем напряжение, можно отцепить атом и поместить его в любом месте. На рисунке 2.4, сделанном с экрана дисплея, вы видите название фирмы IBM, «написанное» 35 атомами ксенона. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывает фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации» хранилищ информации.

Рис. 2.4

Размеры атомов и молекул

Туннельные микроскопы обеспечивают увеличение в 100 млн раз. Это позволяет измерять размеры атомов с очень большой точностью. Так, диаметр атома углерода оказался равным 1,4 • 10-8 см. Такой же порядок имеют и размеры других атомов.

Размеры атомов и молекул, найденные другими методами, оказываются примерно такими же.

Эти размеры так малы, что их невозможно себе представить. Что вам может сказать, например, число 2,3 • 10-8 см — размер молекулы водорода? В таких случаях прибегают к помощи сравнений. Если, например, вашу голову увеличить до размеров средней звезды типа Солнца, то молекула при этом увеличится до размеров головы.

А вот еще сравнение. Если представить себе, что все размеры в мире возросли в 108 раз, то молекула водорода будет выглядеть как шарик диаметром всего в 2,3 см (средних размеров слива), а рост человека стал бы равным 170 000 км, размер мухи — 10 000 км, толщина волоса — 10 км, размер красного кровяного тельца (эритроцита) — 700 м.

Число молекул

При столь малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле чрезвычайно велико. Подсчитаем приблизительное число молекул в капле воды массой 1 г и, следовательно, объемом 1 см3. Диаметр молекулы воды равен приблизительно 3-10-8 см. Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объем (3 • 10-8 см)3, можно найти число молекул в капле, разделив объем капли (1 см) на объем, приходящийся на одну молекулу:

Представьте себе, что поверхность земного шара твердая и гладкая. На всей поверхности вплотную друг к другу стоят люди. Число людей при этом будет чуть меньше числа молекул в 1 см3 воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С.

Надо помнить основные положения молекулярно-ки-нетической теории. Атомы имеют размеры порядка 10-8 см. Изображения атомов, полученные с помощью туннельного микроскопа, не оставляют никаких сомнений в их существовании.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru