§ 2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Мы начнем с основных положений молекулярно-кинетической теории. Они вам частично известны из предшествующего курса физики. Затем познакомимся с количественной теорией самого простого макроскопического тела — газа.

«Если бы в результате какой-либо мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть-чуть соображения».

Приведенное нами высказывание принадлежит выдающемуся американскому физику Р. Фейнману. Итак, в основе молекулярно-кинетической теории лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Доказательства существования молекул

Предположение о том, что все тела состоят из отдельных частиц и, следовательно, ни одно тело нельзя разделить на сколь угодно малые части, высказывалось Демокритом и другими древнегреческими мыслителями еще за 2500 лет до нашего времени. Качественное объяснение многих явлений с помощью молекулярной теории было дано в XVIII в. Однако бесспорные доказательства существования молекул и атомов удалось получить только в начале XX в. Дело в том, что атомы очень малы. Они не видны не только простым глазом, но и в обычный оптический микроскоп. Именно поэтому все тела кажутся нам сплошными.

Первое убедительное, хотя и косвенное, доказательство существования атомов и молекул было получено английским химиком Д. Дальтоном (1766—1844). Дальтон объяснил закон постоянных отношений. Согласно этому закону при образовании любых химических соединений массы реагирующих веществ находятся в строго определенных отношениях. Так, например, при образовании воды из водорода и кислорода отношение масс прореагировавших газов водорода и кислорода всегда равно 1:8. Этот факт становится понятным лишь в том случае, если допустить, что при образовании мельчайшей частички воды — молекулы — некоторое определенное число атомов водорода соединяется с определенным числом атомов кислорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому отношение масс водорода и кислорода при образовании воды должно быть равно отношению удвоенной массы атома водорода к массе атома кислорода. Это отношение не может измениться ни при каких условиях.

Мы не будем перечислять все известные сейчас доказательства существования атомов и молекул. В этом нет никакой необходимости. Современные приборы позволяют рассматривать отдельные атомы на поверхностях тел и измерять их размеры. Самый совершенный из них, называемый туннельным микроскопом, был создан в середине 80-х годов XX в. сотрудниками знаменитой компьютерной фирмы IBM (г. Цюрих) Г. Биннингом и Г. Рорером, удостоенными за его изобретение Нобелевской премии.

Туннельный микроскоп

Саму идею туннельного микроскопа понять не очень сложно. Изготовляется чрезвычайно тонкое вольфрамовое острие- зонд (рис. 2.1), настолько тонкое, что оно заканчивается одним или несколькими атомами. Острие почти вплотную подводится к поверхности проводящего электрический ток вещества. При этом электронные облака атома на кончике острия и ближайшего к нему атома поверхности начнут перекрываться. Если приложить небольшое (порядка 0,01 В) напряжение к поверхности и острию, то в зазоре острие — поверхность появится слабый ток — порядка миллиардных долей ампера. Этот ток называется туннельным. (Его появление объясняется с помощью квантового эффекта, называемого туннельным.) Туннельный ток чрезвычайно сильно зависит от расстояния между зондом и поверхностью. При изменении расстояния на 2 • 1^-8 см (примерно на размер атома) сила тока изменяется в тысячи раз.

Если острие перемещать вдоль поверхности, то сила тока должна меняться в очень широких пределах, увеличиваясь при прохождении зонда над атомом и уменьшаясь до ничтожных значений, когда зонд зависает над промежутком между атомами поверхности. Это очень неудобно для регистрирующей ток системы, не говоря уже о том, что острие может просто зацепиться за неровность недостаточно тщательно отшлифованной поверхности. Чтобы избежать этого, используют следующий прием: специальное устройство перемещает зонд по вертикали таким образом, чтобы протекающий через прибор ток оставался неизменным. Это достигается с помощью устройства обратной связи, которое улавливает изменение силы тока и дает команду приблизить зонд к поверхности или удалить от нее.

Основная проблема состоит в том, чтобы зонд перемещать контролируемым образом на расстояния в миллиардные доли метра (~1 нм). Это достигается с помощью так называемого пьезоэлектрического манипулятора. Некоторые кристаллы, например кварц, и специальные керамики слегка меняют свои размеры под действием электрического поля. В этом состоит явление пьезоэлектрического эффекта. Электрические поля создаются тонкими металлическими пленками, напыляемыми на поверхность керамики. При изменении напряжения на десятые доли вольта размеры керамических стержней меняются приблизительно на размер атома.

Окончание параграфа >>>