Атомы, химия, единицы измерения

Несмотря на то что не всегда просто установить прямые связи между прочностьюматериалов и законами классической физики и химии, в конечном счете именноэти науки составляют фундамент материаловедения. Поэтому для тех, кто могпозабыть кое-что из школьной программы, в конце книги имеется приложение,где кратко изложены основные сведения, без знания которых трудно следитьза дальнейшими рассуждениями. Однако для понимания материаловедения нев меньшей степени, чем знание законов химии и физики, необходимо правильноепредставление о размерах и масштабе. Иными словами, законы науки дают правилаигры, но размеры шахматной доски, то есть те масштабы, в которых разыгрываютсяигры в природе и технике, постоянно и почти невообразимо изменяются. Поэтомуостановимся, хотя бы кратко, на вопросе о масштабах и единицах измерения.

Кельвин не раз повторял, что наука начинается с измерений. Но для того, чтобыизмерять, нужны единицы измерения. Для измерения сравнительно больших величинмы будем использовать сантиметры и миллиметры, тонны, килограммы и граммы.Оперируя очень малыми величинами, мы обычно становимся более рациональными иобращаемся к малым единицам. А поскольку материаловедение часто имеет делоименно с малыми величинами, которые не используются в повседневной жизни, обэтих малых единицах следует рассказать подробнее.Микрон (мкм) - 1/10000 см,то есть 1/1000 мм. Размер самой маленькой точки, которую можно увидетьневооруженным глазом, - около 1/10 мм, то есть 100 мкм. А самый малый предмет,видимый с помощью обычного оптического микроскопа, как правило, меньше 0,5 мкм.На практике возможность видеть предмет в значительной степени зависит отусловий освещения: так, в сильном луче света, проникающем в темную комнату,можно видеть невооруженным глазом частицы пыли размером в 10 мкм или дажеменьше. Так как предел разрешения оптического микроскопа примерно равен одномумикрону, микрон стал излюбленной единицей тех, кто в основном работает с этиммикроскопом, в частности биологов.

Ангстрем (А) - 1/10000 мкм, или 1/100000000 см. Эта единица пользуетсяуважением тех, кто работает с электронным микроскопом, ее применяют дляизмерения атомов и молекул. С помощью современного электронного микроскопаможно рассмотреть (обычно в виде неясных пятен) частицы размером около5 А. Это примерно в тысячу раз меньше того, что можно увидеть в лучшемоптическом микроскопе. Но и в этом случае разрешение сильно зависит отусловий эксперимента.

Вероятно, здесь следует немного поговорить об атоме. Атомы - этото, из чего построены все вещества. Сами атомы состоят из очень малых итяжелых ядер, окруженных облаком обращающихся вокруг них электронов, которыеявляются волнами, частицами или отрицательными зарядами электричества.Электроны несравненно меньше ядер атомов. Массы и размеры атомов различныхвеществ могут быть очень разными. Атомы можно представить себе в виде шариковс негладкой поверхностью диаметром, грубо говоря, около 2 А. По обыденнымпонятиям, это невообразимо малый размер, мы никогда не сможем увидеть отдельныйатом с помощью обычного видимого света, хотя в массе своей атомы, конечно,являются перед нами в виде любого тела.

Здесь полезно напомнить, что наименьшая частица, которую можно видетьневооруженным глазом, содержит примерно 500000 атомов в поперечнике, а спомощью оптического микроскопа нам удается рассмотреть частичку с 2000 атомов впоперечнике. Электронный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов вкристалле, которое напоминает построение солдат на параде; с помощьюустройства, называемого ионным проектором, можно рассмотреть даже отдельныеатомы - по крайней мере некие их туманные очертания. Однако даже призначительно лучшей разрешающей способности микроскопа (а со временем таковая,возможно, и будет достигнута) вряд ли нам удастся увидеть что-нибудь оченьконкретное.