Твёрдое, жидкое, газ: как движутся молекулы
Кристаллы твёрдые, но не все на свете твёрдое. У нас есть ещё жидкости и газы. В газах молекулы не сцеплены друг с другом, как в кристаллах, а свободно носятся в доступном пространстве, перемещаясь по прямым, как бильярдные шары (но в трёх изменениях, а не в двух, как на плоском бильярдном столе). Они несутся, пока не стукнутся о что‑то, например другую молекулу или стенку сосуда, тогда они отскакивают, опять как бильярдные шары. Газы можно сжать, что показывает, что между атомами и молекулами полно места. Когда вы сжимаете газ, вы чувствуете сопротивление. Закройте пальцем выход велосипедного насоса и толкайте поршень – вы почувствуете сопротивление. Если вы не отпустите палец, то поршень отскочит назад, как только вы его отпустите. Сопротивление, которое вы чувствуете, называется «давление». Давление – это результат того, что миллионы молекул воздуха (смесь азота, кислорода и ряда других газов) в насосе бомбардируют поршень (и все другие части насоса, но поршень – единственная часть, которая может двигаться в ответ). При более высоком давлении «бомбардировка» происходит чаще. Это же произойдёт, если то же число молекул газа заключают в меньшем объёме (например, когда вы нажимаете на поршень велосипедного насоса). Это же произойдёт, если вы повысите температуру, что заставит молекулы носиться быстрее.
Жидкость подобна газу в том, что молекулы двигаются друг относительно друга или «текут» (поэтому, в отличие от твёрдых тел, обе называются «текучая среда»). Но молекулы в жидкости намного ближе друг к другу, чем молекулы в газе. Если вы поместите газ в закрытый сосуд, он заполнит каждый уголок сосуда, до самого верха… Объём газа быстро увеличится, заполнив весь сосуд. Жидкость тоже заполнит каждый уголок, но только до определённого уровня. Заданное количество жидкости, в отличие от такого же количества газа, сохраняет объём. Гравитация тянет её вниз, поэтому она заполняет только такую часть сосуда, сколько ей требуется, снизу вверх. Это потому, что молекулы жидкости остаются близкими одна к другой. Но, в отличие от твёрдых тел, они скользят друг вокруг друга, вот почему жидкость ведёт себя как текучая среда.
|
|
|
А твёрдое тело даже не пытается заполнить сосуд – оно просто сохраняет свою форму. Это потому, что молекулы твёрдого тела не скользят друг относительно друга, как молекулы жидкости, а остаются (грубо говоря) на тех же позициях относительно соседей. Я говорю «грубо», потому что даже в твёрдом теле молекулы совершают своего рода покачивания (быстрее при более высокой температуре): они просто не отходят достаточно далеко от своего места «в строю» в кристалле, чтобы повлиять на его форму.
|
|
|
Некоторые жидкости «вязкие», как патока. Вязкая жидкость течёт, но настолько медленно, что хотя очень вязкая жидкость, в конце концов, заполнит нижнюю часть сосуда, это займёт много времени. Некоторые жидкости настолько вязкие – текут настолько медленно – что с тем же успехом могут считаться твёрдыми телами. Подобные вещества ведут себя как твёрдые тела, даже при том, что они состоят не из кристаллов. Пример – стекло. Говорят, что стекло «течёт», но настолько медленно, что должны пройти столетия, чтобы заметить это. Так что, с практической точки зрения, мы можем считать стекло твёрдым.
Твёрдое тело, жидкости и газы – названия, которые мы даём трём обычным «фазам» материи. Многие вещества способны быть всеми тремя, при разных температурах. На Земле метан – газ (часто называемый «болотным газом», потому что он всплывает из болот; иногда он загорается, и мы видим его как блуждающие огоньки). Но на большом и очень холодном спутнике Сатурна, называемом Титан – целые озера жидкого метана. А если бы планета была ещё холоднее, на ней могли бы быть «скалы» из замёрзшего метана. Мы думаем о ртути как о жидкости, но это просто означает, что она – жидкость при обычных температурах на Земле. Ртуть является твёрдым металлом, если её оставить вне помещения арктической зимой. Железо – жидкость, если вы нагреете его до достаточной температуры. И действительно, глубоко в центре Земли располагаются моря жидкого железа, смешанного с жидким никелем. Насколько я знаю, вполне могут существовать очень горячие планеты с океанами жидкого железа на поверхности, и, может быть, со странными существами, плавающими в них – хотя в последнем я сомневаюсь. По нашим стандартам, точка замерзания железа весьма горяча, так что на поверхности Земли мы обычно встречаем его как «холодное железо»[1] а вот точка замерзания ртути весьма холодна, так что мы обычно встречаем ртуть как «живое серебро» (жидкость). На другом конце шкалы температур, и ртуть, и железо становятся газами, если вы их достаточно нагреете.
|
|
|
Внутри атома
Когда мы пытались представить деление материи на мельчайшие частицы, в начале этой главы, мы останавливались на атоме. Атом свинца – это мельчайший объект, который мы можем назвать свинцом. Но можем ли мы подвергнуть атом ещё большему делению? И действительно ли атом свинца выглядит как очень маленький кусочек свинца? Нет, он не выглядит очень маленькой частицей свинца. Он не похож ни на что. Потому что атом настолько маленький, что не виден даже в очень мощный микроскоп. Конечно, вы можете разделить атом на ещё более мелкие частицы, но то, что мы получим, не будет являться тем же самым элементом, причины этого мы скоро узнаем. Более того, это очень трудно сделать, и это высвободит огромное количество опасной энергии. Вот почему для некоторых людей фраза «расщепить атом» звучит настолько угрожающе. Это было сделано знаменитым новозеландским учёным Эрнестом Резерфордом в 1919 году.
|
|
|
Хотя мы не можем видеть атом, и хотя мы не можем расщепить его, не превратив во что‑то ещё, это не значит, что мы прекращаем исследовать его содержимое. Как я объяснял в главе первой, когда учёные не могут увидеть что‑то непосредственно, они предлагают модель, на которую объект мог быть похож, и они тестируют эту модель. Научная модель – это способ представить себе то, какими могли быть вещи. Поэтому модель атома – это мысленная картина того, каким бы он мог быть внутри. Научная модель может казаться полётом фантазии, но это не так. Учёные не останавливаются на выдвижении модели: они идут дальше и тестируют её. Они говорят, «Если бы модель, которую я вообразил, была бы верной, мы могли бы ожидать увидеть в реальном мире то‑то и то‑то». Они предсказывают, что получится, если вы проведёте практические эксперименты и сделаете определённые измерения. Успешная модель та, предположения которой верны, особенно если они подтверждаются экспериментом. И если предположения оказываются верны, то мы надеемся, что это значит, что модель является действительностью, или, по крайней мере, частью действительности.
Иногда предположения оказываются неверны, и поэтому учёные возвращаются и исправляют модель, или придумывают новую, затем продолжают её испытывать. Другими словами, процесс представления модели и затем испытывания её – что мы называем «научным методом» – имеет гораздо больше шансов получить реальный результат, чем даже наиболее образный и красивый миф, созданный для того, чтобы объяснить то, что люди не понимали и часто не могли понять.
Ранней моделью атома была так называемая модель «Пудинг с изюмом», предложенная великим английским физиком Дж. Дж. Томсоном в конце 19–го века. Я не буду описывать её, потому что она была заменена более успешной моделью Резерфорда, впервые предложенной тем самым Эрнстом Резерфордом, который расщепил атом, который приехал из Новой Зеландии в Англию работать учеником Томсона и позже сменил Томсона на посту профессора физики в Кембридже. Модель Резерфорда, которую позднее уточнил, в свою очередь, ученик Резерфорда, знаменитый датский физик Нильс Бор, рассматривала атом как крошечную, миниатюризированную солнечную систему. В центре атома – ядро, которое содержит большую часть его материала. И есть крошечные частицы, названные электронами, со свистом летающие вокруг ядра по «орбите» (хотя слово «орбита» может вводить в заблуждение, если вы думаете о нем, как о планете, вращающейся вокруг солнца, потому что электрон не маленький круглый предмет в определённом месте).
В модели Резерфорда/Бора, которая, вероятно, отражает реальную истину, удивительно то, что расстояние между ядрами очень велико по сравнению с размером ядра, даже в плотном куске твёрдого вещества, такого как алмаз. Ядра сильно разбросаны. Это тот момент, к которому я обещал вернуться.
Помните, я говорил о том, что кристалл алмаза – гигантская молекула, созданная из атомов углерода, похожих на солдат в строю, но в трёхмерном строе? Что ж, теперь мы можем улучшить нашу «модель» кристалла алмаза, придав ей масштаб – то есть, ощущение того, как размеры и расстояния в нем связаны друг с другом. Предположим, что мы представляем ядро каждого атома углерода в кристалле не солдатом, а футбольным мячом с электронами на орбите вокруг него. В этом масштабе соседние мячи в алмазе были бы на расстоянии более чем в 15 километров.
15 километров между мячами будут содержать электроны на орбите вокруг ядра. Но каждый электрон, в нашем «футбольном» масштабе, намного меньше, чем комар, и эти миниатюрные комары сами удалены на несколько километров от мячей, которые они облетают. Поэтому понятно – и удивительно – что даже твёрдый алмаз представляет собой почти полностью пустое место!
То же самое справедливо для всех пород, независимо от их прочности и твёрдости. Это верно для железа и свинца. Это также верно даже для самой твёрдой древесины. И это относится к вам и ко мне. Я уже говорил, что твёрдое вещество сделано из атомов, «упакованных» вместе, но «упакованных» здесь означает что‑то довольно странное, потому что сами атомы – главным образом пустое место. Ядра атомов расположены настолько далеко друг от друга, как если бы два футбольных мяча разделяло расстояние в 15 километров, а между ними летали бы несколько комаров.
Как такое может быть? Если камень является почти полностью пустым пространством, с реальной материей, разбросанной как футбольные мячи на километры друг от друга, почему он настолько жёсткий и твёрдый? Почему он не разрушается как карточный домик, когда вы сидите на нем? Почему мы мы не видим прямо через него? Если и стена, и я – в основном пустое место, почему я не могу пройти прямо через стену? Существует довольно забавная история об американском генерале Стабблебайне, который попытался это сделать. Вот история, которую я уже цитировал в предыдущей книге.
Это реальная история.
Она случилась летом 1983 года. Генерал – майор Альберт Стабблебайн III сидит за своим столом в Арлингтоне, штат Вирджиния, уставившись на стену, на которой развешаны его многочисленные военные награды. Они подробно описывают его долгую и выдающуюся карьеру. Он является начальником разведки армии Соединённых Штатов с 16 000 солдат под его командованием… Он смотрит сквозь свои награды на стену. У него возникаем мысль, что он должен что‑то сделать, хотя мысль об этом пугает его. Он думает о выборе, который он должен сделать. Он может остаться в своём кабинете, или он может перейти в соседний офис. Вот его выбор. И он сделал его. Он собирается пройти в следующий офис… Он встаёт, выходит из‑за стола и начинает расхаживать. Я думаю, он размышляет, из чего вообще в основном состоит атом? Из пространства! Он ускоряет шаг. Из чего в основном состою я? Он размышляет. Из атомов! Он почти перешёл на трусцу. Из чего главным образом состоит стена? Он думает. Из атомов. Все, что я должен сделать, это объединить пространства… Затем Генерал Стабблебайн тяжело ударяется носом о стену своего кабинета. Черт побери, думает он. Генерал Стабблебайн поражён своей постоянной неспособностью пройти через стену.
Вы не можете не посочувствовать генералу Стабблебайну. Он знал, что стена, и его собственное тело, были сделаны из атомов, столь рассредоточенных, что они походили на футбольные мячи в 15 километрах друг от друга. Конечно, если стена и его собственное тело были в основном пустым пространством, он же должен быть в состоянии пройти сквозь стену, протискивая свои атомы между атомами стены? Почему же он этого не может?
Почему камни и стены ощущаются твёрдыми, и почему мы не можем объединять наши с ними пространства? Мы должны понять (как бедный Генерал Стабблебайн узнал на своём горьком опыте), что то, что мы чувствуем и видим как твёрдое тело, есть нечто большее, чем просто ядра и электроны – футбольные мячи и комары. Учёные говорят о силах, связях и полях, взаимодействующие различными способами, чтобы держали футбольные мячи порознь друг от друга, а также удерживали компоненты каждого футбольного мяча как одно целое. При рассмотрении очень маленьких сущностей, таких как атомы и ядра, различие между «материей» и «пустым пространством», начинает терять свой смысл. Не совсем правильно говорить, что ядро «материи» как футбольный мяч, и что есть «пустое пространство» до следующего ядра.
Мы определяем твёрдое вещество как такое, «через которое вы не можете пройти». Вы не можете идти через стену из‑за тех таинственных сил, которые связывают ядра с их соседями в фиксированном положении. Вот что означает твёрдый.
Жидкий означает что‑то похожее, за исключением того, что мистические поля и силы удерживают атомы в меньшей степени, поэтому они скользят относительно друг друга, что означает, что вы можете перемещаться в воде, хотя и не так быстро, как в воздухе. В воздухе, являющимся газом (в действительности смесью газов), гораздо легче перемещаться, потому что атомы в газе свободно мчатся, а не привязаны друг к другу. В газе трудно перемещаться только в том случае, когда большинство атомов движутся в одном направлении, противоположном вашему движению. Это и происходит, когда вы пытаетесь двигаться против ветра (это и означает «ветер»). Трудно двигаться против штормового ветра, и невозможно двигаться против урагана или против воздушного потока, созданного реактивным двигателем.
Мы не можем двигаться сквозь твёрдый материал, но очень маленькие частицы, называемые фотонами, могут. Лучи света – это поток фотонов, и они могут перемещаться сквозь некоторые твёрдые материалы, называемые «прозрачными». Способ, которым «футбольные мячи» расположены в стекле, или в воде, или в некоторых драгоценных камнях, означает, что фотоны могут проходить как раз между ними, хотя они немного замедлятся, как вы замедляетесь при попытке пройти через воду.
За некоторым исключением, как например кварцевые кристаллы, камни непрозрачны, и фотоны не могут проникать сквозь них. Вместо этого, в зависимости от цвета камня, они либо поглощаются камнем, либо отражаются от его поверхности, и это справедливо для большинства других твёрдых предметов. Некоторые твёрдые предметы отражают фотоны совершенно особым, прямолинейным способом, и мы называем их зеркалами. Но самые твёрдые объекты поглощают многие из фотонов (они не прозрачны), и рассеивают даже те, которые они отражают (они не ведут себя как зеркала). Мы просто видим их как «непрозрачные», и мы также рассматриваем их как имеющие цвет, который зависит, от вида поглощаемых или отражаемых ими фотонов. Я вернусь к важному вопросу цвета в главе 7, «Что такое радуга?». Тем временем, мы должны сосредоточить наше внимание на действительно очень малых объектах и посмотреть прямо внутрь самого ядра – футбольного мяча.
Мельчайшие частицы
Ядро на самом деле не похоже на футбольный мяч. Это просто грубая модель. Оно, конечно, не круглое, как футбольный мяч. Даже не ясно, должны ли мы говорить о его «форме» вообще.
Может быть, само это слово – «твёрдый» теряет всякий смысл при этих очень маленьких размерах. А мы говорим об очень и очень маленьких размерах.
Точка в конце этого предложения содержит приблизительно миллион миллионов атомов типографской краски Каждое ядро содержит меньшие частицы, называемые протонами и нейтронами. Если хотите, то можете также думать о них как о мячах, хотя, как и ядра, они на самом деле не мячи. Протоны и нейтроны приблизительного одинакового размера. На самом деле они очень – очень маленькие, но все равно они в тысячу раз больше, чем электроны («комары») на орбите вокруг ядра. Существенная разница между протоном и нейтроном в том, что у протона есть электрический заряд. У электронов тоже есть электрический заряд, противоположный заряду протонов. Не важно, какой в точности электрический заряд здесь имеется в виду. У нейтронов заряда нет.
Поскольку электроны такие очень – очень – очень маленькие (а протоны и нейтроны просто очень – очень маленькие), масса атома в сущности – это только его протоны и нейтроны. Что же означает «масса»? Что ж, можно, пожалуй, представить себе массу как вес, и можно измерять её, используя те же единицы (граммы или фунты). Как бы то ни было, вес и масса – не одно и то же, и мне придётся объяснить разницу, но я отложу это до следующей главы. На данный момент просто считайте, что «масса» похожа на «вес».
Масса объекта практически полностью зависит от того, как много протонов и нейтронов связаны вместе во всех его атомах. Число протонов в ядре атома каждого отдельного элемента всегда одно и то же и равно числу электронов на орбите вокруг ядра, хотя электроны и не оказывают значительного влияния на массу, поскольку они слишком малы. Атом водорода имеет только один протон (и один электрон). Атом урана имеет 92 протона. Свинец – 82. Углерод имеет 6. Для каждого возможного числа от 1 до 100 (и ещё нескольких), имеется один и только один элемент, имеющий определённое количество протонов (и столько же электронов). Я не буду их перечислять, хотя это и легко (моя жена Лала Лала может перечислять их наизусть, на большой скорости – фокус, которому она научилась в качестве упражнения для тренировки памяти, и как способ заснуть).
Число протонов (или электронов), которыми обладает элемент, называется «атомным номером» этого элемента. Так что можно определить элемент не только по его названию, но и по его собственному уникальному атомному номеру. Например, элемент под номером 6 – углерод; элемент под номером 82 – свинец. Элементы удобно изложены в таблице, называемой периодической таблицей – я не буду вдаваться в подробности, почему она называется именно так, хотя ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА УРАН СВИНЕЦ УГЛЕРОД хотя это интересно. Но сейчас момент, чтобы вернуться, как я и обещал, к вопросу, почему, когда вы режете, скажем, свинец на все меньшие и меньшие части, вы, в конечном итоге, достигнете точки, когда, если вы разрежете его снова, он больше не является свинцом. Атом свинца имеет 82 протона. Если разделить атом так, чтобы он больше не имел 82 протона, он перестаёт быть свинцом.
Число нейтронов в ядре атома менее фиксировано, чем число протонов: многие элементы имеют разные версии, называемые изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, существует три изотопа углерода, называемые углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Цифры относятся к массе атома, которая является суммой протонов и нейтронов. Каждый из трёх имеет шесть протонов. Углерод-12 имеет шесть нейтронов, углерод-13 имеет семь нейтронов, а у углерода-14 – восемь нейтронов. Некоторые изотопы, например, углерод-14, радиоактивны, что означает, что они превращаются в другие элементы с предсказуемой скоростью, хотя в непредсказуемые моменты. Учёные могут использовать эту особенность, чтобы помочь вычислить возраст окаменелостей. Углерод-14 используется для датирования предметов моложе большинства окаменелостей, например, древних деревянных судов.
Окончится ли наш процесс по делению на все меньшие и меньшие части на этих трёх частицах: электронах, протонах и нейтронах? Нет – даже у протонов и нейтронов есть составные части. Даже они содержат ещё более мелкие вещи, называемые кварками. Но это то, о чем я не буду рассказывать в этой книге. Не потому, что я считаю, что вы не поймёте этого. А потому, что я не понимаю этого! Здесь мы вступаем в таинственную страну чудес. Важно распознать, когда мы достигаем пределов того, что мы понимаем. Не то чтобы мы никогда не поймём эти вещи. Вероятно, поймём, и учёные работают над ними со всей надеждой на успех. Но мы должны знать, что мы не понимаем, и признаться в этом себе, прежде чем мы сможем начать работать над этим. Есть учёные, которые, по крайней мере, немного понимают в этой стране чудес, но я не являюсь одним из них. Я знаю свои границы знаний.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 264; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!