Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Хлористый натрий — это ионы хлора и натрия, образующие кубическую структуру. Нельзя естественным путем сгруппировать их в «молекулы соли». Вернемся к вопросу о растворении и осаждении соли. Если повысить температуру раствора соли, то возрастет и число растворяющихся атомов и число осаждаемых. Оказывается, что в общем случае трудно предсказать, в какую сторону сдвинется процесс, быстрей или медленней пойдет растворение.
С ростом температуры большинство веществ начинает растворяться сильной, а у некоторых растворимость падает. ф 4. Хгмзгизгесгсгсе 1гепмг(гегс Во всех описанных процессах атомы и ионы не меняли своих напарников. Но, конечно, возможны обстоятельства, в которых сочетания атомов меняются, образуя новые молекулы. Это показано на фиг. 1.8.
Процесс, в котором атомные партнеры меняются местами, пазывае соя химической реакггией. Ощгсанные нами прежде процессы называются физическими, но трудно указать резкую границу мегкду теми и другимл. (Природе все равно, как мы это назовем, она просто делает свое дело.) На картинке мы хотели показать, как уголь горит в кислороде. Молекула кислорода состоит из двух атомов, сцепленных очень крепко. (Л почему не из трех или даже не из четырех! Такова одна пз характерных черт атомных процессов: атомы очень разборчивы, им нравятся определенные партнеры, определенные направления и т.
д. Одна из обязанпостей физики — разобраться, почему они хотят имснно то, что хотят. Во всяком случае два атома кислорода, довольные и насыщенные, образуют молекулу.) Предположим, что атомы углерода образуют твердый кристалл (графит или алмазо). Одна из молекул кислорода может пробраться к углероду, каждый ее атом подхватит по атому углерода и улетит в новом сочетании углерод — кислород. Такие молекулы образуют газ, называемый угарным.
Его химическое имя СО. Что это значит? Буквы СΠ— зто фактически картинка такой молекулы: С вЂ” углерод, Π— кислород. Но углерод лритягивает к себе кислород намного сильнее, чем кислород притягивает кислород или углерод — углерод. Поэтому кислород для этого процесса может поступать с малой энергией, но, схватываясь с неимоверной жадностью и страстью с углеродом, высвобождает энергию, поглощаемую всеми соседними атомами.
Образуется болыпое количество энергии движения (кинетической энергии). Это, конечно, и есть горение; мы получаем тепло от сочетания кислорода и углерода. Теплота в обычных условиях проявляется в виде движения молекул нагретого газа, но иногда ее может быть так много, что она вызывает и свет. Так получается пламя. г Алмаз тоже может сгореть в воздухе.
Ф и г. 1.8, уголв, гоалтнаа г кислород«. Вдобавок молекулы СО могут не удовольствоватьсядостигнутым. У них есть возможность подсоединить еще один атом кислорода; возникает более сложная реакция: кислород в паре с углеродом столкнется с другой молекулой СО.
Атом кислорода присоединится к СО н в конечном счете образуется молекула из одного углерода и двух кислородов. Ее обозначают СО«и называют углекислым газом. Когда углерод с«витают очень быстро (скажем, в моторе автомашины, где взрывы столь часты, что углекислота не успевает образоваться), то возникает много угарного газа. Во многих таких перестановках атомов выделяется огромное количество знергии, наблюдаются взрывы, вспыхивает пламя и т. д.; все зависит от реакпни.
Химики научили зти расположения атомов и установили, что любое вещество — зто свой тнп расположения атомов, Чтобы объяснить зту мысль, рассмотрим новый пример. У клумбы фиалок вы сразу чувствуете их «запах». Это значит, что в ваш нос попали лголекулы. илп расположения а~омов особого рода. гвин они туда попали? Ну, это просто. Раз запах — зто молекулы особого рода, то, двигаясь и сталкиваясь повсюду, они случайно могли попасть и в нос.
Конечно, онн не стремились попасть туда. Это просто беспомощные толпы молекул, н з своих бесцельных блужданиях эти осколки вещества. случается, оказываются и в носу. И вот химики могут взять дая е такие необычные молекулы, как молекулы запаха фиалок, проанализировать их строение и описать нам точное расположение их атомов в пространстве. Мы, например, знаем, что молекула углекислого газа пряма и симлгетрична: Π— С вЂ” О (зто легко обнаружить и физическими методами).
Но и для оезмерно более сложных, чем те, с которымн имеет дело химия, расположений атомов можно после долгих увлекательных поисков понять, как выглядит зто расположение. На фиг. 1.9 изображен воздух над фиалками. Снова мы находим здесь азот, кислород, водяной пар... (А он-то откуда здесь? От влажных фиалок. Все растения испаряют воду.) Среди них, однако, витает «чудовище», сложенное из атомов углерода, водорода и кислорода, облюбовавших для себя особого вида расположение. Это расположение намного сложнее, чем у Ф и г. 1.9. Заках Фиалки, углекислоты. К сожалению, мы не можем его нарисовать: хотя оно известно химикам очень точно, но оно ведь трехмерное, а как его изобразишь в двух измерениях?! Как нарисовать шесть углеродов, которые образуют кольцо, но не плоское, а «гармошкойг? Все углы, все расстояния в пей известны.
Так вот, химическая 4ор,вула — зто просто картина такой молекулы. Когда химик пишет формулу на доске, он, грубо говоря, пытается нарисовать молекулу в двух измерениях. Например, мы видим кольцо из шести углеродов; углеродную цепочку, свисающую с одного конца; кислород, торчащий на конце цепочки; три водорода, привязанные воп к тому углероду; два углерода и три водорода, прилепленные вот здесь, и т. д. Как же химик узнает, что зто за расположение? Возьмет он две пробирки с веществом, сольет их содержимое и смотрит: если смесь покраснела, значит, к такому-то месту молекулы прикреплен один водород и два углерода; если посинела, то... то зто ничего не значит. Органическая химия может поспорить с самымн фантастическими страницами детектквных романов.
Чтобы узнать, как распело>невы атомы в какой-нибудь невероятно сложной молекуле, химик смотрит, что будет, если смешать два разных вещества! Да физик нипочем не поверит, что химик, описывая расположение атомов, понимает, о чем говорит. Но вот угле больше 20 лет, как появился физический метод, который позволяет разглядывать молекулы (не такие сложные, но по крайней мере родственные) и описывать расположение атомов не по цвету раствора, а по измерению расстояний между атомами. И что же? Оказалось, что химики почти никогда не ошнбаютсяг Оказывается, что действительно в запахе фиалок присутствугот три слегка различные молекулы, они отличаются только расстановкой атомов водорода.
Одна из проблем в химии — это придумать такое название для вещества, чтобы по нему можно было бы узнать, какое оно. Найти имя для его формы! Но оно должно описывать не только форму, а указывать еще, что здесь стоит кислород, а вон там— водород, чтобы было точно отмечено, где что стоит. Теперь вы понимаете, почему химические названия так сложны. Это не Ф и а. 1.10. Струксауркак фарнука «ааааа 4«алки. сн, рнз н ~с., н н н сн;с с — с=с — Дс-снз н н-с,' ~ — сну с й сложность, а полнота.
Название молекулы запаха фиалок поэтому таково: 4-(2,2,3,6-тетраметил-б-циклогексан)-З-бутон-2-он. Оно полностью описывает строение молекулы (изобра«пенной на фиг. 1.10), а его длина объясняется сложностью молекулы. Дело, значит, вовсе не в том, что химики хотят затуманить мозги, просто им приходится решать сложнейшую задачу описания молекулы словами! Но откуда мы все-таки знаем, что атомы существуюту А здесь ' идет в ход уже описанный прием: мы предполагаем их существование, и все результаты один за другим окааываются такими, как мы предскажем,— какимиони должны быть, если все состоип» иа атомов, Существуют и более прямые доказательства, Вот одно из них. Атомы так малы, что ни в какой микроскоп их не увидишь (даже в электронный, а уж в световой и подавно). Но атомы все время движутся, и если бросить в воду большой шарик (большой по сравнению с атомами), то и он начнет подрагивать.
Все равно как в игре в пушбол, где большущий мяч толка1от с разных сторон две команды. Толкают в разных направлениях, и куда мяч покатится, не угадаешь. Точно так же будет двигаться и «большой мяч» в воде: в разные моменты времени с разных сторон на него будут сыпаться неодинаковые удары. Поэтому когда мы глядим в хороший микроскоп на мельчайшио частички в воде, то видим их непрерывное метание— итог бомбардировки их атомами. Называется это броуновским движением.
Другие докааательства существования атомов можно извлечь из строения кристаллов. Во многих случаях их строение, определенное иэ опытоэ по прохождению рентгеновских лучей через кристаллы, согласуется по своему пространственному расположению с формой самогб природного кристалла. Углы между разными гранями кристалла согласуются с точностью не до градусов, а до секунд дуги с углами, высчитанными в предположении, что кристалл сложен из множества «слоев» атомов. Все состоит иг атомов.
Это самое основное утверждение. В биологии, например, самое важное предположение состоит в том, что все, что делает гкивотное, совершают атомы. Иными словами, в живых суи)ествах нет ничего, что не могло бы быть понято с той точки зрения, апо они состоят иг атомов, дейст- вующих по законам физики. Когда-то это не было еще ясно. Потребовалось немало опытов и размышлений, прежде чем высказать зто предположение, но теперь оно повсеместно принято и приносит огромную пользу, порождая новые идеи в области биологии. Да посудите сами! Если уж стальной кубик или крнсталлик соли, сложенный из одинаковых рядов одинаковых атомов, может обнаруживать такие интересные свойства; если вода — простые капельки, неотличимые друг от друга и покрывающие миля за милей поверхность Земли,— способна порождать волны и пену, гром прибоя и странные узоры на граните набере»иной; если все ато, все богатство жизня вод — всего лишь свойства сгустков атомов, то сколько же еще в них спрыске возможностей? Если вместо того, чтобы выстраивать атомы по ранжиру, строй за строем, колонну за колонной, даже вместо того, чтобы сооруя ать из них аамысловатые молекулы запаха фиалок, если вместо этого располагать их каждый раз по-новому, разнообразя их мозаику, не повторяя того, что уже было,— представляете, сколько необыкновенного, веоя«иданпого может возниккуть в их поведении.
Разве не может быть, что те «тела», которые разгуливают по улице и беседуют с вами, тон«е не что иное, как сгустки атомов, но такие сложные, что у'ке не хватает фантазии предугадывать по их виду их поведение. Когда мы называем себя сгустками атомов, это пе значит, что л«ы — только собрание атомов, потому что такой сгусток, который никогда не повторяется, прекрасно может оказаться способным и иа то, чтобы сидеть у стола и читать эти строки. 1'лава ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗЗРЕНИЯ й $. Введение й 2. Физика до РЗ20 года ~ 1..Введение В этой главе будут рассмотрены самые основные представления о физике; здесь будет идти речь о том, как теперь мы представляем сеое природу вещей.
Я но буду рассказывать историю того, как стало известно, что эти представления правильны; это мы отложим до другого раза. Предмет науки предстает перед нами во множестве проявлений, в обилии признаков. Спуститесь и морю, вглядитесь в него. Это ведь не просто вода. Это вода и пена, это рябь и набегающие волны, это облака, солнце и голубое небо, это свет и тепло, шум и дыхание ветра, это песок и скалы, водоросли и рыба, их жкань и гибель, это и вы сами, ваши глаза и мысли, ваше ощущение счастья. И не то ли в любом другом месте, не такое ли разнообразие явлений и влияний? Вы не найдете в природе ничего простого, все в ней перепутано н слито.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
