Атомы и электроны

Всякий газ давит изнутри на поверхность стенок того сосуда, в котором этот газ заключен. Как это понять? Очень просто: стоит только предположить, что атомы (или молекулы) газа не находятся в покое, а, напротив, все время очень быстро движутся. Если это так, то они должны все время наталкиваться на стенки сосуда и отскакивать от них, как отскакивают бильярдные шары от борта бильярда; стенки сосуда, в котором заперт газ, должны все время испытывать изнутри целый град толчков, целую бомбардировку со стороны молекул газа. Если увеличить объем сосуда, отодвинув в нем крышку или поршень, или если открыть перед молекулами газа дверь, ведущую в соседнее пустое пространство, то быстро движущиеся молекулы сейчас же начнут проникать в предоставленный им новый объем, пока весь сосуд не заполнится газом равномерно и целиком. Вот почему всякий газ всегда стремится расшириться и заполнить весь предоставленный ему объем. Легко понять, что будет, если сжать газ, находящийся в каком-нибудь сосуде с поршнем: молекулы газа, занимавшие раньше большой объем, теперь вынуждены будут сконцентрироваться в меньшем объеме, а поэтому на каждый квадратный сантиметр поверхности стенки будет приходиться в течение секунды больше ударов молекул, т. е. молекулярная бомбардировка на каждый квадратный сантиметр стенки возрастает. Давление газа, запертого в сосуде, увеличивается при уменьшении объема этого сосуда. Если нагреть газ, запертый в сосуде, не изменяя его объема, то давление газа, как показывают опыты, возрастает. Так как число атомов и молекул осталось тем же самым, то для того, чтобы понять, почему молекулярная бомбардировка увеличилась, необходимо допустить, что при повышении температуры молекулы и атомы начинают двигаться быстрее: вследствие увеличившейся скорости их движения возрастет и число ударов в секунду о стенку (ведь при возросшей скорости каждая молекула успевает в течение секунды большее число раз слетать от одной стенки сосуда до другой и обратно) и, кроме того, возрастет и сила каждого отдельного удара. Это допущение о том, что при повышении температуры скорость движения атомов и молекул растет, должно относиться не только к газам, но и к жидкостям, и к твердым телам: без этого невозможно понять, каким образом при нагревании происходит испарение.

В самом деле, как должны мы наглядно представлять себе твердые тела и жидкости? Жидкости очень подвижны и текучи; это значит, что атомы и молекулы жидкостей, все время тесно соприкасаясь друг с другом, вместе с тем легко и быстро скользят, перемещаясь по всему объему жидкости (иногда бывает, что молекула какой-нибудь жидкости так же легко и просто может перемещаться среди молекул другой жидкости; вот почему так быстро происходит, например, перемешивание воды и спирта, если спирт налит поверх воды в какой-нибудь сосуд).

Твердые тела, наоборот, имеют некоторую упругость, т. е. стремятся все время сохранить свою форму; поэтому приходится заключить, что атомы твердых тел всегда находятся в каких-то определенных положениях равновесия и могут только совершать около этих положений более или менее быстрые колебания. Быстрота движений, совершаемых молекулами и атомами жидких и твердых тел, должна, как и в газах, возрастать при увеличении температуры. Этим объясняется испарение при нагревании, так как более быстро движущиеся молекулы жидкости могут преодолеть притяжение со стороны окружающих молекул той же жидкости и выскочить из жидкости наружу. Пар, насыщающий пространство над поверхностью данной жидкости,- это и есть тот газ, который состоит из таких «сбежавших из жидкости» молекул. Из жидкости выскакивают, правда, все новые и новые молекулы, по молекулы пара, падающие на жидкость, проникают туда вновь, и поэтому в конце концов устанавливается равновесие между жидкостью и ее паром, когда в каждую секунду столько же молекул выскакивают из жидкости («испаряется»), сколько их падает в жидкость обратно.

Из всего сказанного видно, какие простые и ясные представления вносит гипотеза атомов и молекул в физику. Основным в этой атомно-молекулярной картине газов, жидкостей и твердых тел является представление о том, что с возрастанием температуры растет и скорость движения атомов. Это представление сыграло очень большую роль в истории атомистического учения.

До XIX столетия среди физиков господствовало мнение, что теплота есть какое-то невесомое вещество - «теплород»,-которое может соединяться с обычными веществами. Нагретое тело, согласно этой точке зрения,- это такое, в котором много теплорода; при охлаждении тела теплород и з него уходит. Это широко распространенное представление о вещественности тепла было опровергнуто, как только физики стали изучать связь между теплотой и движением. Наличие этой связи очевидно: при трении, которым сопровождается движение, возникает тепло,- этим издавна пользовались для добывания огня народы, стоящие на низких ступенях культуры,- с другой же стороны, теплота, выделяющаяся при сжигании угля в топке парового котла, является основной причиной возникающего в паровой машине движения поршня в цилиндре, махового колеса, шатуна и т. д.

В 1798 году некий Бенджамин Томпсон, американец, авантюрист, прежде сражавшийся на стороне Англии во время войны за независимость Соединенных Штатов, а затем поступивший на службу к баварскому королю, от которого, он получил титул графа Румфорда, наблюдал в мюнхенском арсенале сверление пушечных жерл. Сверление сопровождалось выделением очень большого количества тепла. Когда Румфорд погружал просверливаемую металлическую болванку вместе с работающим в ней сверлом в воду, то вода через два с половиной часа начинала кипеть. Пораженный этим огромным выделением тепла, Румфорд подробно исследовал все условия, при которых тепло возникает. Оказалось, что если просверлить в болванке жерло острым сверлом, а затем заменить его тупым сверлом, которое уже не может отделять от металла стружки, но все же поворачивается с большим трением, то дальнейшее вращение сверла позволяет извлечь из болванки любое количество тепла - стоит только вращать сверло достаточно долго. Это было несовместимо с представлением о вещественности тепла: если бы теплота была веществом («теплородом»), то из данной болванки нельзя было бы извлечь больше тепла, чем в ней в действительности содержалось. Поэтому Румфорд решил, что теплота не вещество, а движение. Теплота - это движение невидимых глазу атомов, из которых состоит любое вещество. Нагреть какое-нибудь тело - это значит привести его атомы в более быстрое движение, чем то, в котором они находились раньше. Охладить тело - значит замедлить движение атомов. Так возникла механическая теория тепла (термодинамика), получившая свое окончательное обоснование уже только в последней четверти XIX века - в работах Людвига Больцмана и Уилларда Гиббса, которые доказали, что все законы тепловых явлений могут быть выведены теоретически, если применять теоремы механики к движению невидимых глазу атомов. Это был такой же триумф атомистической теории, как и тот, который ей доставили работы Дальтона в химии: не только химические, но и физические явления легко объяснялись с помощью предположения, что все тела состоят из мельчайших, невидимых глазу атомов.

И все же атомистической теории в это время (к концу XIX столетия) еще не хватало многого. Представление об атомах все еще не было достаточно конкретным. Пусть мы знаем, что существуют такие-то и такие-то атомы - атомы кислорода, железа, фосфора, серы и т. д.,- но много ли мы знаем о самих этих атомах? Мы можем только сравнивать их друг с другом, можем говорить, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода, а масса атома серы в два раза превышает массу атома кислорода, но о каждом из этих атомов в отдельности мы ничего не можем сказать. Мы не можем сказать, какова масса атома водорода и каковы его размеры; мы знаем, что капелька воды состоит из молекул Н2O, но не можем сказать, из скольких молекул, и т. д. И постепенно у многих начинало складываться впечатление, что этого мы так-таки никогда и не узнаем и что ничего, кроме отношений химических элементов друг к другу, в природе нет, а те атомы - атомы водорода, кислорода, азота, которые Дальтон так ясно представлял себе и рисовал на бумаге в виде кружочков,- те атомы являются чистейшей фантазией - мы никогда не сумеем их взвесить, измерить и понять их настоящие свойства. Жесточайшим нападкам подвергалась атомистическая теория со стороны многих философов. Артур Шопенгауэр утверждал в своем сочинении «Мир как воля и представление», что химические атомы Берцелиуса являются лишь формой выражения тех относительных количеств, в которых вещества вступают друг с другом в химические соединения; поэтому следует считать атомы, по существу, лишь арифметическими понятиями, лишь «расчетными единицами» (Rechenpfe