ЛЕКЦИЯ СЕДЬМАЯ

ВЕЩЕСТВО.
РЕАЛЬНОСТЬ АТОМОВ
И МОЛЕКУЛ

Перейдем к рассмотрению некоторых основополагающих представлений о мире атомов и молекул, микромире, веществе и поле. Именно законы микромира определяют существование гигантских звезд, планет, биологических объектов, человека.

Для начала определим, что мы понимаем под веществом.

Вещество слагается из элементарных частиц, масса которых не равна нулю (в основном - электронов, протонов и нейтронов). Масса пропорциональна энергии покоя (Е = Мс²). Если принять скорость света за единицу, то получим, что масса тела равна его энергии покоя. Именно энергия покоя, "дремлющая" в массивных телах, частично освобождается в химических и особенно ядерных реакциях. Частицы света - безмассовые, для них m = 0, фотон может двигаться только со скоростью света.

В классической физике вещество и поле противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго - непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествляющиеся в науке на протяжении многих веков. Понятие "поле" рассмотрено в лекции 4.

Наука о веществах зародилась в Египте - передовой стране древнего мира. Металлургия, керамика, изготовление стекла, крашение, парфюмерия, косметика

63

достигли там значительного развития задолго до нашей эры.

Термин "химия" происходит (по Плутарху) от одного из древних названий Египта, Хеми ("черная земля"), и в первоначальном смысле означал "египетское искусство". Позже химия определялась как искусство делания золота и серебра. Существует и иная точка зрения, связанная с греческим hymia - искусство литья (от hyma - литье).

Наука о веществах и их взаимодействиях - химия - считалась в Египте "божественной наукой" и находилась целиком в руках жрецов. Однако некоторые сведения все же просачивались за пределы Египта, в основном через Византию и арабов (после завоевания ими в 711 году Испании). Именно на арабском Востоке появился термин "алхимия".

Целью алхимиков, главным образом, было создание "философского камня", способного все металлы превращать в золото. В основе этого лежал элементарный практический заказ: золото в Европе было необходимо для развития торговли, а известных месторождений было мало.

В основе взглядов алхимиков лежали представления Аристотеля, о которых мы говорили ранее (лекция 3). Позже к принципам и элементам Аристотеля алхимики добавили растворимость (каменная или поваренная соль), горючесть (сера) и металличность (ртуть). Видно, что в качестве новых элементов выбраны наиболее доступные и известные в то время вещества.

Дошедшие до нас сочинения европейских алхимиков написаны туманным языком, знание в них переплетено с мистикой. Вот один из рецептов изготовления "философского камня": "Мы соединяем, то есть делаем А из тела и Меркурия. Мы подвергаем гноению и перевариванию при двойном жаре сказанное А. После того как оно сгноено и переварено, мы его разрешаем. После разрешения мы его отделяем и разделяем. После отделения и разделения мы его очищаем и чистим". Меркурий, видимо, ртуть. Что такое А или тело, ничего в рецепте не сказано...

64

"В тебе сокрыта вся чудесная и ужасная тайна. Просвети нас, осветив все элементы лучистым образом. Дай познать нам, как высшее опускается до низшего, и как низшее восходит до высшего, и как находящееся в середине приближается и к высшему, и к низшему, сливаясь и образуя единое целое. Покажи нам благословенные воды, ниспадающие с высоты, чтобы пробудить умерших, которые лежат вокруг центра Ада, прикованные во тьме; как эликсир Жизни доходит до них и будит их от глубокого сна; как новые воды, которые образовались во время их смертного сна, под действием света пронизывают их. Испарения поддерживают их; поднимаясь из глубины моря, они поддерживают воды".

Это отрывок из алхимического сочинения. Современные историки химии пришли к выводу, что в этом отрывке дано описание процесса, известного как дистилляция с противотоком, широко применяющегося в настоящее время.

Точной наукой наука о веществах стала после того, как в середине XVIII века был сформулирован закон сохранения массы - масса всех веществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Открытие этого закона приписывают М.В. Ломоносову. Однако, скорее всего, Ломоносов в 1748 году первым точно сформулировал его в письме Л. Эйлеру: "...Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимается, то столько же присовокупляется к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей общий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает..."

Таким образом, в середине XVIII века в практике исследования вещества появились точные количественные методы.

Позже был установлен закон постоянства состава - каждое химическое соединение имеет вполне определенный и постоянный состав. То есть состав химического соединения не зависит от способа его получения.

65

Это дало возможность Дж. Дальтону (1766-1844) в 1803 году сформулировать закон кратных отношений, утверждающий, что элементы входят в соединение некоторыми порциями, и сделать вывод о дискретном строении вещества. Именно Дальтон ввел в современную науку представление об атомах как мельчайших частицах, из которых образованы все вещества, понятие "атомный вес".

Заметим, что представление об атомном строении вещества является одним из самых древних в современной науке.

В некоторых странах Азии оно существовало более чем за 1000 лет до нашей эры. Влияние этих идей дошло, возможно, до Древней Греции, и в V веке до нашей эры древнегреческие философы Левкипп и Демокрит сформулировали вывод о невозможности бесконечного деления вещества на все более мелкие части. В конечном счете, полагали они, получатся настолько маленькие частицы, что дальнейшее деление будет невозможным. Существует большое разнообразие подобных частиц, из которых сделаны различные вещества. И при соединении различных частиц получаются новые вещества. По-гречески atomos - неделимый (от temnein - рассекать, резать, и отрицания "а"), поэтому частички, которые нельзя больше разделить, назвали атомами. В Древней Греции эти представления не получили распространения. Аристотель являлся их рьяным противником, и атомарным представлениям о строении вещества пришлось ждать признания более 2000 лет. (Заметим, что в конце XIX века Беккерель показал, что и атом не является неделимым.)

Несколько слов о терминологии.

Когда мы говорим о веществе (чистом веществе), то тем самым указываем на то, что оно обладает однородными свойствами. При этом чистые вещества могут быть двух типов. Одни разлагаются после некоторых воздействий. Другие - нет. Например, сравним железо, кислород, водород и окись железа, воду, перекись водорода.

Первые вещества - элементы, вторые - соединения. Сегодня известно 92 стабильных элемента и многие сотни

66

тысяч чистых веществ, построенных из них. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч неорганических и, особенно, органических соединений, неисчислимое количество сплавов.

Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц - атомов (как и все книги - суть набор нескольких десятков символов, собранных огромным разнообразием способов).

Попытки создания систематики химических элементов начались сразу после освоения наукой представлений об атомах. Однако только Д.И. Менделееву (1834-1907) удалось сформулировать периодический закон, позволивший не только систематизировать все известные на тот момент (1869 год) химические элементы, но и предсказать существование новых. Периодический закон в формулировке Менделеева, опубликованный им в учебнике "Основы химии", звучит следующим образом: "...Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. В соответствии этому закону и составлена периодическая система элементов..." В 1870 году подобную систематику создал немецкий ученый Ю.Л. Майер (1814-1878).

Созданная систематика позволила предсказать свойства элементов с вероятными атомными весами 44, 68, 72. В 1875 году был открыт галлий (атомный вес 69,7), в 1879 - скандий (атомный вес 45,1), в 1886 - германий (атомный вес 72,6). В 1893 году был открыт аргон, которому не было места в периодической системе элементов. После обнаружения на Солнце (с помощью спектрального анализа), а затем и на Земле гелия, открытия криптона, неона, ксенона стало ясно, что "благородные" (инертные) газы образуют новую группу периодической системы. Это еще раз подтвердило строгость периодического закона Менделеева.

В то же время Менделеев писал: "Мы не понимаем причины периодического закона..." Он просто раскладывал пасьянс, основанный на известных свойствах химических элементов и их соединений. И только после

67

выяснения строения атомов был вскрыт физический смысл обнаруженных им закономерностей.

Атомы девяносто двух видов стабильны (до урана) и обладают различными свойствами. С одной стороны, одни из них образуют газы, другие - металлы. Одни способны легко образовывать химические соединения, другие (инертные газы) почти никогда не дают соединений.

В то же время все атомы имеют примерно одинаковый размер. Действительно, мы знаем, что в 1 см³ вещества содержится около 10²³ молекул (атомов для одноатомных веществ). Тогда на один атом приходится объем около 10^-23 см³ и размер атома (кубический корень из объема) близок 10^-8 см.

Но что мы знаем о внутреннем строении атома?

Из опыта известно, что любой предмет может быть заряжен электричеством одного или другого вида. Мы называем эти два вида зарядов "положительными" или "отрицательными". В этих названиях не отражено ничего принципиального. Просто мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются - это следует из эксперимента.

Эксперимент же показывает, что незаряженное тело просто содержит в себе равные количества положительных и отрицательных зарядов. В этом состоит одно из величайших открытий физики.

Мы обнаруживаем, что заряды могут перемещаться в веществе. За проводимость металлов ответственны электроны. Еще в Древней Греции было замечено, что если потереть янтарь (греч. electron) кусочком ткани, то он приобретает свойство притягивать шерстинки. Именно поэтому в 1891 году для обозначения единицы минимального количества электричества был введен термин "электрон". Элементарная частица, называемая сегодня электроном, открыта Дж. Томсоном в 1897 году.

Заметим, что когда мы трем поверхность янтаря или иного непроводящего материала (диэлектрика) шерстью, тканью, мы вовсе не "сдираем" электроны с электронных оболочек атомов. Мы просто снимаем поверхностные заряды, "грязь", экранирующие неоднородный поверхностный заряд диэлектрика (его поляризацию).

68

Итак, к концу XIX века стало известно, что существуют положительные и отрицательные заряды, вещество построено из них. Минимальная "порция" вещества - атом. Следовательно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов и, по существующим на этот момент представлениям, быть неделимым. Тогда простейшая модель атома - модель желе (пудинга с изюмом), в котором смешаны положительные и отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904 год).

Решающий эксперимент по проверке этой модели был проделан в 1910 году Э. Резерфордом (1871-1937), X. Гейгером (1882-1945) и Р. Марсденом (1889-1970). Возникающие при радиоактивном распаде α-частицы (ядра гелия, имеющие положительный заряд) направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель "желе", то α-частицы не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то α-частицы должны были бы по-разному отклоняться неоднородностями электрического заряда.

Было обнаружено совершенно неожиданное явление - некоторые α-частицы отклонялись от первоначального направления настолько сильно, что почти возвращались к источнику.

Таблица 7.1

Результаты одного из экспериментов
по наблюдению рассеивания α-части ц золотой фольгой

Угол отклонения α-частицы	15	38	45	60	75	105	120	135	150
Число наблюдений α-частиц	132 000	7800	1435	477	211	70	52	43	33
% от общего числа наблюдений	92,87	5,5	1,0	0,3	0,1	0,03	0,025	0,02	0,015

69

Резерфорд следующим образом вспоминал свою первую реакцию на эти результаты: "...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: "Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния α-частиц назад..." Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд..."

Заметим, что еще в 1887 году, за 10 лет до открытия электрона и почти за 30 лет до работ Резерфорда, выдающийся (в будущем) русский физик П.Н. Лебедев (1866-1912) в дневнике писал: "...Каждый атом всякого нашего первичного элемента (Н, О, Ва...) представляет собой полную Солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Периоды движения весьма кратковременны...". Это - пример удивительной прозорливости ученого.

Стало ясно, что атом состоит не из смеси положительно и отрицательно размазанных по объему частиц, но из массивного положительного заряда - ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, значительно более легкими, чем ядро. Размер ядра, оцененный из этих экспериментов, составляет около 10^-13 см.

Как мы помним, размер атома около 10^-8 см. То есть размер ядра, по крайней мере, в 10 000 раз меньше размера атома.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 году Резерфорд предложил новую, "планетарную" модель, уподоблявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома, а вокруг ядра - электроны, число которых

70

равно положительному заряду ядра, выраженного в электронных зарядах.

Казалось, структура атома понята. В водороде имеется один электрон и ядро с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. В гелии два электрона и соответствующим образом заряженное ядро. И так вплоть до урана с 92 электронами и ядром, несущим 92 единицы положительного заряда. То есть удалось качественную разницу между атомами свести к количественной. Можно расположить атомы в определенном порядке в соответствии с их атомными номерами. Каждому номеру от 1 до 92 (кроме технеция - 43 и прометия - 61) отвечает элемент, обнаруженный в природе.

Существуют и трансурановые элементы с атомными номерами больше 92. Они имеют малые времена жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.

Сведение качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг вперед. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, принципы систематизации атомов.

Однако каждое открытие ставит новые, более сложные вопросы. Действительно, почему бром с 35 электронами - коричневая жидкость, легко образующая химические соединения; криптон с 36 электронами - благородный газ, практически не вступающий в химические соединения; рубидий с 37 электронами - металл, химически очень активный? Почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента? На эти вопросы удалось получить ответ только после того, как была понята квантовая природа материи.

Есть и другие вопросы. Так, если мы принимаем планетарную модель атома, то считая, что электроны вращаются вокруг ядра, и зная размер атома (радиус орбиты электронов), мы можем оценить время оборота одного электрона вокруг ядра. Оно составляет около 10^-16 с. Правильность этой оценки легко проверить экспериментально - частота света, испускаемого раскаленным водородом, составляет 10¹⁶ Гц.

71

Однако, если электрон испускает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и, в конце концов, электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит. Более того, раскаленный и холодный водород должны были бы испускать свет одинаковым образом, но холодный водород свет не испускает. Известно, что каждый атом испускает (или поглощает) свет вполне определенных частот, характерных только для данного атома. На этом основаны, в частности, методы спектрального анализа состава веществ.

Более того, атом газа сталкивается с другим атомом один раз за 10^-12 с, то есть через каждые 10 000 оборотов электрона вокруг ядра. И при этом сохраняются и частота излучения и размер атома... Представим себе, что Солнечная система или Земля столкнутся с подобными себе объектами...

Отметим особо свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда.

• 1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.
• 2) Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.
• 3) Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства других атомов и т.п.), то после устранения причины искажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель так же, как и ее предшественники, - только некое приближение к действительному строению атома. Опыты показывают, что атом, как планетарная система, не может обладать всеми перечисленными свойствами. То есть модель приближенна. Нужен новый взгляд на природу атома.

72

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Почему закон сохранения массы в химической реакции послужил основой для формирования современных представлений о строении вещества?
2. Что доказывает закон кратных отношений?
3. Почему электризуется одежда из синтетических тканей? Почему электризация проявляется зимой в сильные морозы?
4. Почему в атоме число протонов и электронов должно быть одинаковым?
5. Почему опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц фольгой привели к созданию планетарной модели атома?
6. Проанализируйте общие черты и различия моделей атома Томсона ("желе" или "пудинга с изюмом"), Резерфорда ("планетарной").
7. Почему после появления планетарной модели возникли новые вопросы о строении атома?

73