Якби внаслідок якоїсь світової катастрофи всі накопичені наукові знання виявилися б знищеними і до прийдешніх поколінь живих істот перейшла б лише одна фраза, то яке твердження, складене з найменшої кількості слів, принесло б найбільше інформації? Я вважаю, що це — атомна гіпотеза (можете називати її не гіпотезою, а фактом, це нічого не змінює): усі тіла складаються з атомів — маленьких тілець, які перебувають у безперервному русі, притягуються на невеликій відстані, але відштовхуються, якщо одне з них щільніше притиснути до іншого. В одній цій фразі, як ви переконаєтеся, міститься неймовірна кількість інформації про світ, варто лише докласти до неї трохи уяви й трохи кмітливості.
Щоб показати силу ідеї атома, уявімо собі краплинку води розміром 0,5 см. Якщо ми будемо пильно розглядати її, то нічого, крім води, спокійної, суцільної води, ми не побачимо. Навіть під найкращим оптичним мікроскопом при 2000-кратному збільшенні, коли крапля набуде розмірів великої кімнати, і то ми все ще побачимо відносно спокійну воду, хіба що по ній заснують якісь «футбольні м'ячі». Це парамеція — дуже цікава штука. На цьому ви можете затриматися й зайнятися парамецією, її війками, дивитися, як вона стискається й розтискається, і на подальше збільшення махнути рукою (якщо тільки вам не захочеться розглянути її зсередини). Парамеціями займається біологія, а ми пройдемо повз них і, щоб ще краще розглянути воду, збільшимо її знову в 2000 разів. Тепер крапля виросте до 20 км, і ми побачимо, як у ній щось кишить; тепер вона вже не така спокійна й суцільна, тепер вона нагадує натовп на стадіоні в день футбольного змагання з висоти пташиного польоту. Що ж це кишить? Щоб роздивитися краще, збільшимо ще в 250 разів. Нашому погляду постане щось схоже на малюнку.
Радіус атомів приблизно дорівнює 1 або 2 на 10-8 см. Величина 10-8 см — це ангстрем, тож радіус атома дорівнює 1 або 2 ангстремам (А). А ось інший спосіб запам'ятати розмір атома: якщо яблуко збільшити до розмірів Землі, то атоми в яблуку самі стануть розміром з яблуко.
Це крапля води, збільшена в мільярд разів, але, звісно, ця картина умовна. Насамперед частинки зображено тут спрощено, з різкими краями — це перша неточність. Для простоти вони розташовані на площині, а насправді вони блукають у всіх трьох вимірах — це по-друге. На малюнку видно «плями» (або кружечки) двох сортів — чорні (кисень) і білі (водень); видно, що до кожного кисню пристроїлися два водні. (Така група з атома кисню і двох атомів водню називається молекулою.) Нарешті, третє спрощення полягає в тому, що справжні частинки в природі безперервно тремтять і підстрибують, крутячись і вертячись одна навколо одної. Ви маєте уявити собі на картинці не спокій, а рух. На малюнку не можна також показати, як частинки «липнуть одна до одної», притягуються, пристають одна до одної і т. д. Можна сказати, що цілі їхні групи чимось «склеєні». Однак жодне з тілець не здатне протиснутися крізь інше. Якщо ви спробуєте силоміць притиснути одне до іншого, вони відштовхнуться.
Уявіть тепер собі цю краплю води з її частинками, які пританцьовують, грають у квача і линуть одна до одної. Вода зберігає свій об'єм і не розпадається на частини саме через взаємне притягання молекул. Навіть коли котиться по склу, крапля не розтікається, знову ж таки через притягання. І всі речовини не випаровуються з тієї ж причини. Рух частинок у тілі ми сприймаємо як теплоту; що вища температура, то сильніший рух. При нагріванні води штовханина серед частинок посилюється, проміжки між ними зростають, і настає мить, коли притягання між молекулами вже не вистачає, щоб утримати їх разом, ось тоді вони і випаровуються, віддаляються одна від одної. Так отримують водяну пару: при підвищенні температури посилюється рух і частинки випаровуються.
На малюнку показано пару. Цей малюнок поганий в одному — при обраному нами збільшенні на кімнату припаде всього кілька молекул, тому сумнівно, щоб цілих 2.5 молекули опинилися на такому маленькому малюнку. На такому майданчику, найімовірніше, не виявиться жодної частинки. Але ж треба щось намалювати, щоб малюнок не був зовсім порожнім. Дивлячись на пару, легше побачити характерні риси молекул води. Для простоти на малюнку кут між атомами водню взято 120°. Насправді ж він дорівнює 105°3` , а проміжок між центрами атомів кисню і водню дорівнює 0,957 А. Як бачите, ми досить добре уявляємо собі цю молекулу.
Розгляньмо деякі властивості водяної пари чи інших газів. Розрізнені молекули пари раз у раз ударяються об стінки посудини. Уявіть собі кімнату, в якій безліч тенісних м'ячів (порядку сотні) безладно й безперервно стрибають повсюди. Під градом ударів стінки розходяться (тож їх треба притримувати). Цей невгамовний дріб ударів атомів наші грубі органи чуття (їхня чутливість-бо не зросла в мільярд разів) сприймають як постійний натиск. Щоб стримати газ у його межах, до нього треба прикласти тиск. На малюнку показано звичайну посудину з газом (без неї не обходиться жоден підручник) — циліндр з поршнем. Молекули для простоти зображено тенісними м'ячиками, або крапочками, тому що форма їхня не має значення. Вони рухаються безладно й безперервно. Безліч молекул безперервно калатає в поршень. Їхні незупинні удари виштовхнуть його з циліндра, якщо не прикласти до поршня деяку силу — тиск (сила, власне,— це тиск, помножений на площу). Ясно, що сила пропорційна площі поршня, бо якщо збільшити його площу, зберігши ту саму кількість молекул у кожному кубічному сантиметрі, то й число ударів по поршню зросте у стільки ж разів, у скільки розширилася площа.
А якщо в посудині число молекул подвоїться (і відповідно зросте їхня густина), а швидкості їхні (і відповідно температура) залишаться незмінними? Тоді досить точно подвоїться і число ударів, а оскільки кожен з них настільки ж «енергійний», як і раніше, то вийде, що тиск пропорційний густині. Якщо взяти до уваги справжній характер сил взаємодії атомів, то слід очікувати і невеликого спаду тиску через збільшення притягання між атомами, і легкого зростання тиску через збільшення частки загального об'єму, зайнятого самими атомами. І все ж у доброму наближенні, коли атомів порівняно небагато (тобто при невисоких тисках), тиск пропорційний густині. Легко зрозуміти й дещо інше. Якщо підвищити температуру газу (швидкість атомів), не змінюючи його густини, що станеться з тиском? Рухаючись швидше, атоми почнуть бити по поршню сильніше; до того ж удари посипляться частіше — і тиск зросте. Ви бачите, наскільки прості ідеї атомної теорії. А тепер розгляньмо інше явище. Нехай поршень повільно рушив уперед, змушуючи атоми тіснитися в меншому об'ємі. Що буває, коли атом ударяє по поршню, що повзе? Ясно, що після удару його швидкість підвищується. Можете це перевірити, граючи в пінг-понг: після удару ракеткою кулька відлітає від ракетки швидше, ніж підлітала до неї. (Окремий приклад: нерухомий атом після удару поршня набуває швидкості.) Отже, атоми, відлетівши від поршня, стають «гарячіші», ніж були до поштовху. Тому всі атоми в посудині наберуть швидкості. Це означає, що при повільному стисканні газу його температура зростає. Коли повільно стискаєш газ, його температура підвищується, а коли повільно розширюєш, температура падає.
Повернімося до нашої краплинки води і подивімося, що з нею буде, коли температура понизиться. Припустімо, що штовханина серед молекул води поступово вщухає. Між ними, як ми знаємо, існують сили притягання; молекулам, що притягнулися одна до одної, уже нелегко похитуватися й стрибати. На малюнку показано, що буває при низьких температурах; ми бачимо вже щось нове. Утворився лід. Звісно, ця картинка знову умовна — у льоду не два виміри, як тут зображено, але загалом вона правильна. Цікаво, що в цій речовині кожен атом має своє місце, і якщо якимось чином ми розставимо атоми на одному кінці краплі кожен на своє місце, то за багато кілометрів від нього на іншому кінці (у нашому збільшеному масштабі) через жорстку структуру атомних зв'язків теж виникне певне правильне розташування. Тому якщо потягнути за один кінець крижаного кристала, то за ним, противлячись розриву, потягнеться й інший — на відміну від води, в якій це правильне розташування зруйноване інтенсивними рухами атомів. Різниця між твердими й рідкими тілами полягає в тому, що у твердих тілах атоми розставлені в особливому порядку, званому кристалічною структурою, і навіть у тому разі, коли вони перебувають далеко один від одного, нічого випадкового в їхньому розміщенні не спостерігається — положення атома на одному кінці кристала визначається положенням атомів на іншому кінці, хай навіть між ними перебувають мільйони атомів. У рідинах же атоми на далеких відстанях зсунуті як попало. На малюнку розташування молекул льоду мною вигадане, і хоча деякі властивості льоду тут відображені, загалом воно неправильне. Правильно вхоплено, наприклад, частину шестигранної симетрії кристалів льоду. Погляньте: якщо повернути картинку на 120°, вийде те саме розташування. Отже, лід має симетрію, унаслідок якої сніжинки всі шестигранні. З малюнка можна ще зрозуміти, чому, розтанувши, лід займає менший об'єм. Дивіться, скільки «порожнин» на малюнку; у справжнього льоду їх теж багато. Коли система руйнується, усі ці порожнини заповнюються молекулами. Більшість простих речовин, за винятком льоду й гарту (друкарського сплаву), при плавленні розширюється, бо в твердих кристалах атоми упаковані щільніше, а після плавлення їм знадобиться місце, щоб коливатися; наскрізні ж структури, на кшталт льоду, руйнуючись, стають компактнішими.
Але хоча лід має «жорстку» кристалічну структуру, його температура теж може змінюватися, у ньому є запас тепла. Цей запас можна змінювати за власним бажанням. Що ж це за тепло? Атоми льоду все одно не перебувають у спокої. Вони тремтять і коливаються. Навіть коли в кристалі існує певний порядок (структура), усі атоми все ж коливаються «на одному місці». З підвищенням температури розмах їхніх коливань усе зростає, поки вони не зрушать з місця. Це називається плавленням. Навпаки, з падінням температури коливання все завмирають, поки за абсолютного нуля температури вони не стануть найменшими з можливих (хоча повної зупинки не настане). Цієї мінімальної кількості руху не вистачає, щоб розтопити тіло. Але є один виняток — гелій. Гелій при охолодженні теж зменшує рух своїх атомів до межі, але навіть за абсолютного нуля в них виявляється достатній запас руху, щоб уберегти гелій від замерзання. Гелій не замерзає й за абсолютного нуля, якщо тільки не стискати його під високим тиском. Підвищуючи тиск, можна домогтися затвердіння гелію.
Це крапля води, збільшена в мільярд разів, але, звісно, ця картина умовна. Насамперед частинки зображено тут спрощено, з різкими краями — це перша неточність. Для простоти вони розташовані на площині, а насправді вони блукають у всіх трьох вимірах — це по-друге. На малюнку видно «плями» (або кружечки) двох сортів — чорні (кисень) і білі (водень); видно, що до кожного кисню пристроїлися два водні. (Така група з атома кисню і двох атомів водню називається молекулою.) Нарешті, третє спрощення полягає в тому, що справжні частинки в природі безперервно тремтять і підстрибують, крутячись і вертячись одна навколо одної. Ви маєте уявити собі на картинці не спокій, а рух. На малюнку не можна також показати, як частинки «липнуть одна до одної», притягуються, пристають одна до одної і т. д. Можна сказати, що цілі їхні групи чимось «склеєні». Однак жодне з тілець не здатне протиснутися крізь інше. Якщо ви спробуєте силоміць притиснути одне до іншого, вони відштовхнуться.
Уявіть тепер собі цю краплю води з її частинками, які пританцьовують, грають у квача і линуть одна до одної. Вода зберігає свій об'єм і не розпадається на частини саме через взаємне притягання молекул. Навіть коли котиться по склу, крапля не розтікається, знову ж таки через притягання. І всі речовини не випаровуються з тієї ж причини. Рух частинок у тілі ми сприймаємо як теплоту; що вища температура, то сильніший рух. При нагріванні води штовханина серед частинок посилюється, проміжки між ними зростають, і настає мить, коли притягання між молекулами вже не вистачає, щоб утримати їх разом, ось тоді вони і випаровуються, віддаляються одна від одної. Так отримують водяну пару: при підвищенні температури посилюється рух і частинки випаровуються.
На малюнку показано пару. Цей малюнок поганий в одному — при обраному нами збільшенні на кімнату припаде всього кілька молекул, тому сумнівно, щоб цілих 2.5 молекули опинилися на такому маленькому малюнку. На такому майданчику, найімовірніше, не виявиться жодної частинки. Але ж треба щось намалювати, щоб малюнок не був зовсім порожнім. Дивлячись на пару, легше побачити характерні риси молекул води. Для простоти на малюнку кут між атомами водню взято 120°. Насправді ж він дорівнює 105°3` , а проміжок між центрами атомів кисню і водню дорівнює 0,957 А. Як бачите, ми досить добре уявляємо собі цю молекулу.
Розгляньмо деякі властивості водяної пари чи інших газів. Розрізнені молекули пари раз у раз ударяються об стінки посудини. Уявіть собі кімнату, в якій безліч тенісних м'ячів (порядку сотні) безладно й безперервно стрибають повсюди. Під градом ударів стінки розходяться (тож їх треба притримувати). Цей невгамовний дріб ударів атомів наші грубі органи чуття (їхня чутливість-бо не зросла в мільярд разів) сприймають як постійний натиск. Щоб стримати газ у його межах, до нього треба прикласти тиск. На малюнку показано звичайну посудину з газом (без неї не обходиться жоден підручник) — циліндр з поршнем. Молекули для простоти зображено тенісними м'ячиками, або крапочками, тому що форма їхня не має значення. Вони рухаються безладно й безперервно. Безліч молекул безперервно калатає в поршень. Їхні незупинні удари виштовхнуть його з циліндра, якщо не прикласти до поршня деяку силу — тиск (сила, власне,— це тиск, помножений на площу). Ясно, що сила пропорційна площі поршня, бо якщо збільшити його площу, зберігши ту саму кількість молекул у кожному кубічному сантиметрі, то й число ударів по поршню зросте у стільки ж разів, у скільки розширилася площа.А якщо в посудині число молекул подвоїться (і відповідно зросте їхня густина), а швидкості їхні (і відповідно температура) залишаться незмінними? Тоді досить точно подвоїться і число ударів, а оскільки кожен з них настільки ж «енергійний», як і раніше, то вийде, що тиск пропорційний густині. Якщо взяти до уваги справжній характер сил взаємодії атомів, то слід очікувати і невеликого спаду тиску через збільшення притягання між атомами, і легкого зростання тиску через збільшення частки загального об'єму, зайнятого самими атомами. І все ж у доброму наближенні, коли атомів порівняно небагато (тобто при невисоких тисках), тиск пропорційний густині. Легко зрозуміти й дещо інше. Якщо підвищити температуру газу (швидкість атомів), не змінюючи його густини, що станеться з тиском? Рухаючись швидше, атоми почнуть бити по поршню сильніше; до того ж удари посипляться частіше — і тиск зросте. Ви бачите, наскільки прості ідеї атомної теорії. А тепер розгляньмо інше явище. Нехай поршень повільно рушив уперед, змушуючи атоми тіснитися в меншому об'ємі. Що буває, коли атом ударяє по поршню, що повзе? Ясно, що після удару його швидкість підвищується. Можете це перевірити, граючи в пінг-понг: після удару ракеткою кулька відлітає від ракетки швидше, ніж підлітала до неї. (Окремий приклад: нерухомий атом після удару поршня набуває швидкості.) Отже, атоми, відлетівши від поршня, стають «гарячіші», ніж були до поштовху. Тому всі атоми в посудині наберуть швидкості. Це означає, що при повільному стисканні газу його температура зростає. Коли повільно стискаєш газ, його температура підвищується, а коли повільно розширюєш, температура падає.
Повернімося до нашої краплинки води і подивімося, що з нею буде, коли температура понизиться. Припустімо, що штовханина серед молекул води поступово вщухає. Між ними, як ми знаємо, існують сили притягання; молекулам, що притягнулися одна до одної, уже нелегко похитуватися й стрибати. На малюнку показано, що буває при низьких температурах; ми бачимо вже щось нове. Утворився лід. Звісно, ця картинка знову умовна — у льоду не два виміри, як тут зображено, але загалом вона правильна. Цікаво, що в цій речовині кожен атом має своє місце, і якщо якимось чином ми розставимо атоми на одному кінці краплі кожен на своє місце, то за багато кілометрів від нього на іншому кінці (у нашому збільшеному масштабі) через жорстку структуру атомних зв'язків теж виникне певне правильне розташування. Тому якщо потягнути за один кінець крижаного кристала, то за ним, противлячись розриву, потягнеться й інший — на відміну від води, в якій це правильне розташування зруйноване інтенсивними рухами атомів. Різниця між твердими й рідкими тілами полягає в тому, що у твердих тілах атоми розставлені в особливому порядку, званому кристалічною структурою, і навіть у тому разі, коли вони перебувають далеко один від одного, нічого випадкового в їхньому розміщенні не спостерігається — положення атома на одному кінці кристала визначається положенням атомів на іншому кінці, хай навіть між ними перебувають мільйони атомів. У рідинах же атоми на далеких відстанях зсунуті як попало. На малюнку розташування молекул льоду мною вигадане, і хоча деякі властивості льоду тут відображені, загалом воно неправильне. Правильно вхоплено, наприклад, частину шестигранної симетрії кристалів льоду. Погляньте: якщо повернути картинку на 120°, вийде те саме розташування. Отже, лід має симетрію, унаслідок якої сніжинки всі шестигранні. З малюнка можна ще зрозуміти, чому, розтанувши, лід займає менший об'єм. Дивіться, скільки «порожнин» на малюнку; у справжнього льоду їх теж багато. Коли система руйнується, усі ці порожнини заповнюються молекулами. Більшість простих речовин, за винятком льоду й гарту (друкарського сплаву), при плавленні розширюється, бо в твердих кристалах атоми упаковані щільніше, а після плавлення їм знадобиться місце, щоб коливатися; наскрізні ж структури, на кшталт льоду, руйнуючись, стають компактнішими.Але хоча лід має «жорстку» кристалічну структуру, його температура теж може змінюватися, у ньому є запас тепла. Цей запас можна змінювати за власним бажанням. Що ж це за тепло? Атоми льоду все одно не перебувають у спокої. Вони тремтять і коливаються. Навіть коли в кристалі існує певний порядок (структура), усі атоми все ж коливаються «на одному місці». З підвищенням температури розмах їхніх коливань усе зростає, поки вони не зрушать з місця. Це називається плавленням. Навпаки, з падінням температури коливання все завмирають, поки за абсолютного нуля температури вони не стануть найменшими з можливих (хоча повної зупинки не настане). Цієї мінімальної кількості руху не вистачає, щоб розтопити тіло. Але є один виняток — гелій. Гелій при охолодженні теж зменшує рух своїх атомів до межі, але навіть за абсолютного нуля в них виявляється достатній запас руху, щоб уберегти гелій від замерзання. Гелій не замерзає й за абсолютного нуля, якщо тільки не стискати його під високим тиском. Підвищуючи тиск, можна домогтися затвердіння гелію.