Идея о том, что все объекты состоят из мельчайших частиц, возникла примерно 2500 лет назад. Однако только в середине XIX века эта концепция получила развитие и была подтверждена экспериментально в виде современной теории молекулярного строения материи.
Эта теория, известная как молекулярно-кинетическая (МКТ), позволила объяснить свойства различных веществ и целый ряд физических явлений.
В основе МКТ лежат три основных положения:
- Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов, между которыми есть промежутки.
- Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
- Частицы взаимодействуют друг с другом, притягиваясь и отталкиваясь.
Рассмотрим некоторые экспериментальные факты, подтверждающие эти положения.
Молекулы очень малы и невидимы даже в оптический микроскоп. Поэтому долгое время учёные могли лишь косвенно подтвердить их существование. Например, явление теплового расширения тел свидетельствует в пользу первого положения МКТ.
Экспериментальные подтверждения движения молекул (второе положение МКТ) — это диффузия и броуновское движение. Диффузия происходит благодаря непрерывному хаотическому движению молекул, а броуновское движение (рис. 1) — из-за ударов хаотически движущихся молекул жидкости или газа.
Диффузия также подтверждает наличие промежутков между молекулами (первое положение МКТ), поскольку именно они позволяют частицам одного вещества проникать в другое.
Третье положение МКТ подтверждается упругими свойствами тел: когда внешнее воздействие прекращается, тело восстанавливает свою форму и размер. Упругость тел объясняется силами межмолекулярного взаимодействия, которые могут быть как силами притяжения, так и отталкивания.
Молекулы состоят из атомов, а различные вещества имеют разное количество атомов. Химики, наблюдая за превращениями веществ, выяснили, что атомы имеют разную массу. К середине XIX века они научились определять, во сколько раз отличаются массы атомов, но не могли определить их абсолютную массу.
Ситуация изменилась в начале XX века, когда французский физик Жан Перрен смог вычислить массу самого лёгкого атома — атома водорода. Она оказалась равна 1,6·10⁻²⁷ кг. Зная относительные массы других атомов, Перрен смог вычислить массы известных атомов, а значит, и массы молекул.
Поскольку массы атомов и молекул ничтожно малы по сравнению с массами окружающих нас объектов, становится понятно, что даже маленькая пылинка состоит из огромного количества молекул.
Сегодня существование молекул и атомов не вызывает сомнений. Современные приборы позволяют получать изображения отдельных атомов и измерять их размеры. Размеры атомов очень малы — порядка 10⁻¹⁰ м.
Простые молекулы имеют размеры, сравнимые с размерами атомов. Сложные молекулы, состоящие из большого количества атомов, могут быть существенно больше (например, молекула ДНК человека).
Вопросы к параграфу
1. Какие три положения лежат в основе МКТ?
2. Какие наблюдения и эксперименты подтверждают первое положение МКТ?
3. Какие опыты и эксперименты служат доказательством второго положения МКТ?
4. Какие наблюдения и эксперименты подтверждают третье положение МКТ?
5. Что можно сказать о размере и массе атомов и молекул?