"Смена", №4, март, 1924 год, стр. 22-23.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Очерк А. С. Ирисова.

I. В поисках "начала всех начал". Молекулы и атомы.

Одним из интереснейших вопросов современной физики является вопрос о строении вещества. За последние 25 лет здесь сделано необычайно много и мы уже проникли так далеко в бывшую доселе таинственной область природы — область строения молекул и атомов, что многое непонятное стало для нас уже весьма просто об'яснимым и новые громадные горизонты открылись перед нами. Задачей настоящих очерков и является — познакомить читателей с современными взглядами на строение вещества или материи.

Люди издавна интересовались тем, из чего устроена материя. Перед наблюдательным взором человека всегда открывается необ'ятное разнообразие окружающей его природы: бесчисленное множество растений, не менее богатый разнообразием мир животных и такой же неисчерпаемый мир мертвой неорганической природы. Во всем этом разнообразии пытливый человеческий ум стремится найти нечто общее, простое в сложном, найти «начало начал»; перед ним встает вопрос: из чего устроена материя, что является «кирпичами мироздания».

В древности этот вопрос разрешали не путем изучения и наблюдения природы, а отвлеченно, философски. Многие из древних философов искали первооснову мира и по разному разрешали этот вопрос.

Фалес (в VII в. до Р.X.) учил, что таким началом является вода, Анаксимен (в VI в. до Р.X.) вместо воды выдвинул воздух, Героклит (в VI в. до Р.X.) считал, что все произошло из огня. Некоторые философы, в качестве прародителей всякого вещества, брали не одну, а несколько стихий, например: Эмпедокл строил мир из 4-х стихий — земли, воды, воздуха и огня; Аристотель (в III в. до Р.X.) полагал, что эти стихии образовались из 4-х основных качеств — сухости, тепла, сырости и холода. Тепло и холод обусловливают огонь, воздух состоит из тепла и влажности, земля — из холода и сухости, вода — из холода и влажности. Реальное вещество древней философией было подменено отвлеченными качествами и стихиями. Древним людям казалось, что главным в веществе являются его качества, а не состав. Они умели, например, изготовлять бронзу, нагревая красную медь с цинковой рудой и видели, что одно из качеств меди менялось — ее цвет становился сходным с цветом золота. Им казалось, что они стоят на пути превращения меди в золото и они думали, что первый шаг в этом направлении уже сделан. Одно из качеств меди — цвет — стало сходным с золотом, нужно добиться превращения и остальных качеств меди в «золотые», тогда бронза станет золотом. Этой задачей занимались в средние века «алхимики», но все попытки их были, конечно, бесплодны. Природа реальна, а не отвлеченна. Познать ее можно не отвлеченной философией, а путем непосредственного изучения. Нашим оружием будут — наблюдение и опыт.

Перед нами кусок гранита. Будем смотреть на него издали — он нам покажется сплошным и однородным. Попробуем его рассмотреть поближе — от однородности ничего не осталось: причудливо в нем переплетены между собой красные частицы полевого шпата, блестящие белые крупники кварца, черные точки и жилки из слюды. Крупинки шпата, кварца и слюды — различны по своим размерам — попадаются и сравнительно большие, но еще больше встречается мелких. Глаз, вооруженный лупой¹), увидит еще более маленькие составные части гранита, с микроскопом мы пойдем еще дальше. Где же здесь граница? Существует ли какой-нибудь предел для уменьшения частиц? В дальнейшем мы увидим, что этот предел имеется.

Сейчас у нас зима. Все покрыто снегом, белой пеленой, издали кажущейся сплошной. Взглянем поближе на снег, мы заметим, что пелена состоит из отдельных снежинок. Свежий снег падает, снежинки садятся на вашу шубу, приглядитесь к ним: какие маленькие снежные звездочки сели на вас. Рассмотрите такую снежинку под микроскопом и вы увидите, что эта снежная звездочка сама состоит иа множества ледяных частичек (кристалликов).

Железо под микроскопом.

Возьмем кусок стали, тщательно его отполируем, очистим, поверхность его стала блестящей. Ну, вот, скажите, теперь мы действительно, наконец, имеем однородное, сплошное тело. Ни глаз, ни лупа не отмечают никакой неоднородности. Однако, помещая нашу сталь под сильный микроскоп, мы увидим, что от однородности не остается и следа.

Гораздо лучше сохраняет однородность чистое железо, но и у него микроскоп обнаруживает кристаллическое строение.

Из рассмотренных примеров видно, что вещество состоит из отдельных очень маленьких частичек. Из таких же частичек состоят всякие тела: твердые, жидкие и газообразные. Перед нами встает целый ряд вопросов: каковы размеры наименьших частичек для данного вещества, чем отличаются частички одного вещества от частиц другого, нельзя ли найти еще более элементарные (наиболее простые) частички, из которых уже будут составляться все другие частички и если есть такие элементарные частички, то сколько сортов их встречается в природе. На все эти вопросы мы постараемся сейчас и в дальнейшем дать возможно полные ответы.

Целый ряд явлений дает нам возможность убедиться в том, что частицы вещества могут быть очень маленькие.

Вам, наверное, случалось видеть старые, бывшие уже долгое время в работе, электрические лампочки. В таких лампочках стекло сделалось каким-то тусклым. Происходит это оттого, что в лампочках от раскаленных нитей отрываются частицы вещества, из которых сделаны эти нити и оседают на стекло. Стекло покрывается тонким слоем этого вещества, с течением времени толщина слоя увеличивается и от этого уменьшается прозрачность стекла. Какая же, однако, толщина этого слоя, — она около 0,1 µ. (микрона) = 0,0001 мм.

Многие из вас, конечно, забавлялись выдуванием и пусканием мыльных пузырей. Толщина мыльной пленки оказывается еще меньшей, чем слой осевших в лампочке частиц.

Орган нашего обоняния, нос обладает необыкновенной чувствительностью к некоторым запахам (напр. к меркаптану): он обнаруживает присутствие их, когда в об'еме 1 куб. сантиметра (около об'ема наперстка) воздуха находится всего 1 / 100.000.000.000 грамма пахнущего вещества.

Размеры наименьших частиц вещества, лежат за пределами обычных способов изучения материи. Однако, к настоящему времени мы имеем свыше 20 новых способов, позволяющих вычислить число и размеры частиц в данном теле. Результаты, полученные всеми этими способами (о некоторых из них мы будем говорить в дальнейших очерках), весьма точно совпадают друг с другом.

Предел для делимости какого-нибудь данного вещества действительно существует. В результате мы получаем наименьшую частицу этого вещества; эта частица называется молекулой. Из молекул составляется всякое тело: есть молекулы железа, молекулы воды (льда), гранит состоит из молекул полевого шпата, кварца и слюды и т. д. На основании всех упомянутых способов мы можем утверждать, что в одном кубическом сантиметре воздуха (или какого-нибудь другого газа) при нормальных условиях (760 мм. давления и 0° Ц) заключается громадное число 27.000.000.000.000.000.000 или, как принято обозначать, сокращенно 2,70 × 10¹⁹ молекул, с точностью до 1%²). Какое громадное число. Чтобы нагляднее представить это число, проведем следующее сравнение. Возьмем 2,70 × 10¹⁹ обыкновенных строительных кирпичей, размером в 8,75 дюйма в длину, 4 дюйма в ширину и 2 дюйма в вышину и разместим их равномерным слоем по земной поверхности. Поверхность земного шара составляет 1,97 × 10⁸ кв. миль, на долю суши приходится около ¼ этой площади, т.-е. 4,9 × 10⁷ кв. миль. Если мы разместим по последней наши кирпичи, то получим слой высотой в 850 футов = 123 саж. Вспомним, что самое высокое здание в Москве, а именно — Храм Спасителя имеет высоту в 48½ саж.; высота нашего слоя кирпичей в 2½ раза выше его.

Зная число молекул и общий вес вещества в каком нибудь определенном объеме (напр., в 1 куб. сантим.), легко найти массу каждой молекулы и ее размеры³). Масса молекулы кислорода оказывается равной 52,8 / 1.000.000.000.000.000.000.000.000 или 52,8 × 10^—24 грамма, а масса молекулы водорода еще меньше — 3,32 × 10^—24 грамма. Теперь мы получили весьма малые числа. Чтобы представить их нагляднее, сделаем такое сравнение: молекула во столько раз меньше яблока (средней величины), во сколько яблоко меньше земного шара.

Если молекулы мы будем представлять в виде шариков, то диаметры для них мы получим следующие: для молекулы водорода диаметр равен 0,2 µµ (миллимикронов) = 0,2 / 10.000.000 сант. 0,2 × 10^—7 сантиметров; вообще размеры диаметров молекул в среднем имеют около 1 µµ — 1 / 10.000.000 сантим. 10^—7 сант.

В наши лучшие современные микроскопы видны расстояния не меньшие 6000 µµ = 0,17 × 10^—7 сантим.⁴); в ультрамикроскопы мы можем различить расстояния в 6 µµ 6 × 10^—7 сантим. Отсюда ясно, что мы даже с помощью самых лучших наших инструментов не можем пока еще видеть отдельные молекулы — нам нужно было бы в 6 раз увеличить чувствительность приборов, чтобы увидать самые большие из молекул и в 30 раз, чтобы увидать молекулу водорода. Но в возможных усовершенствованиях микроскопов и ультрамикроскопов мы достигли предела и дальше итти, как показывают научные исследования, не можем, а потому нельзя и рассчитывать, чтобы мы могли непосредственно увидать молекулы.

Возьмем молекулы водорода, находящиеся в 1 куб. сантиметре при нормальных условиях, приложим их одну к другой, т.-е. устроим из них бусы. Простой расчет покажет нам, что получится нить длиной 5.400.000 километров. Длина земного меридиана приблизительно равна 40.000 километр. Нашей нитью из молекул в 1 куб. сантиметре мы можем обвить земной шар кругом 135 раз.

Снежинки под микроскопом.

Мы познакомились с размерами и числом молекул для разных веществ и увидели, что размеры молекул крайне малы, а число их крайне велико у газов: в жидкостях и твердых телах число их в единице об'ема еще больше, чем у газов; размеры молекул различны для разных веществ.

Выше мы поставили еще один вопрос: нет ли более элементарных частиц, чем молекулы, из которых и образовывались бы сами молекулы.

Примириться с тем, что каждое вещество имеет свое «начало», свою, ни с чем не связанную молекулу, мы никак не можем. Многочисленные опыты из повседневной жизни нам говорят, что в природе постоянно имеются процессы, в которых из одних веществ образуются другие. Сахар при брожении переходит в спирт и углекислый газ; газ водород (Н), соединяясь с другим газом — кислородом (О), образует воду (Н₂О); уголь (С), соединяясь с кислородом (О) (сгорая ), может дать или угарный газ (СО) или при полном сгорании — углекислоту (СО₂): растения, вбирая в себя углекислоту, усваивают углерод (С) и выделяют наружу кислород (О). Уже эти самые простые опыты позволяют нам сделать заключение, что в природе встречаются сложные вещества, как углекислота (СО₂), вода (Н₂О) и более простые, как углерод (С), кислород (О), водород (Н). Простые вещества, соединяясь друг с другом, образовывают сложные. Самые простые вещества, т.-е. те, которые уже не могут быть разложены на еще более простые тела, носят название элементов. Самое название элементов очень характерно: оно произошло от сложения названий трех букв л (эл), м (эм) и н (эн) и указывает на то, что сложные вещества складываются из простых элементов подобно тому, как слово эл-ем-ент сложилось из своих основных частей (л-м-н). Элементами являются: все металлы как железо, медь, серебро, платина, аллюминий, ртуть, затем такие вещества, как уголь, сера, иод, фосфор, кремний, из газов — кислород, водород, азот, хлор и др. Современная химия установила, что общее число элементов, встречающихся в природе, равно 92⁵). Из этих 92 элементов можно составить все известные нам в природе вещества. Всякое, встречающееся нам тело можно считать состоящим из одного или нескольких элементов; мы можем его проанализировать, т.-е. разложить на составляющие его элементы: в большинстве случаев мы можем решить и обратную задачу — исходя иэ этих элементов, снова получить данное тело (это так называемый синтез).

Наименьшую из возможных частиц элемента называют атомом. Атомы обладают свойством соединяться друг с другом, образуя то, что мы называли молекулой. Всякая молекула может быть обратно разложена на составляющие ее атомы. Молекула воды (Н₂О), например, состоит иэ двух атомов водорода (Н₂ = НН) и одного атома кислорода (О); молекула углекислоты (СО₂) — из одного атома углерода и двух атомов кислорода; молекула полевого шпата (AlSiO₈) — из одного атома алюминия (Al), одного атома кремния (Si — силиция) и 8 атомов кислорода (О₈); молекула сахара (С₆Н₁₂О₆) из 6 атомов углерода (С₆), 12 атомов водорода (Н₁₂) и 6 атомов кислорода (O₆) и т. д.

Итак, атомы обладают способностью соединяться с другими атомами, образуя при этом молекулу какого-нибудь сложного вещества. Если же атомы не встречают атомов других элементов, то они соединяются между собой и образуют молекулу элемента. Так, молекула водорода (Н₂) состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода (О₂) — тоже образовалась из двух атомов и т. д. Лишь атомы редких газов — гелия (Не), аргона (Ar). неона (Ne) и т. д. отличаются полным отсутствием способности соединяться с атомами как других элементов, так и со своими собственными. Поэтому их молекулы состоят всего лишь из одного атома.

Атомы одного элемента в точности одинаковы, атомы же различных элементов должны отличаться друг от друга своими свойствами и своей массой.

Массу атома водорода (Н) мы можем очень просто расчитать, так как уже знаем, что молекула водорода (Н₂), состоящая из двух атомов, имеет массу в 3,32 × 10^—24 грамма. Отсюда масса водородного атома (Н) равняется: 1,66 × 10^—24 грамма. Такой же расчет для кислородного атома (О) дает массу в 25,4 × 10^—24 грамма. Мы видим, что атом кислорода в 16 раз тяжелее водородного. Атом водорода является самым легким из всех атомов. Его атомный вес мы можем принять за единицу (Н = 1), тогда атомный вес кислорода О = 16.

Современная наука на место таинственных стихий и «начал» древней философии, ставит реально существующие атомы 92 элементов. Из них образованы все тела, построен весь мир, часто их называют «кирпичами мироздания».