Движение молекул [Борис Борисович Кудрявцев] (fb2) читать постранично, страница - 4

перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоёв, — причина движения пылинок.

Поищем другое объяснение загадочного движения пылинок. Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать таких сотрясений, учёные опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!

Что же заставляет их двигаться?

Рис. 3. Так располагаются мельчайшие частички в стакане с водой.

Если присмотреться к описанному опыту, то в глаза бросится обстоятельство ещё более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжёлым, чем вода. В последнего случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако, если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что частицы, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположатся так, как это изображено на рисунке 3. Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает пылинкам упасть? Оказывается, одна и та же причина заставляет пылинки двигаться и не даёт им упасть. Это — удары молекул воды о пылинки.

Конечно, причудливые движения каждой пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в каждое мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинку двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было названо по имени человека, открывшего его, броуновским движением. А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским учёным М. С. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет учёным следить за движением молекул так же, как движение травы на лугу позволяет охотнику следить за бегущей в траве птицей.

3. Со скоростью пули

В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твёрдыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не всё, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твёрдые тела; поведение молекул у них легче изучить и понять.

Если бы мы построили микроскоп, в который можно было видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо другой газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.

Важный для науки закон, который указывает, как распределяются скорости между молекулами (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.

По этому закону, правильность которого была проверена на опыте, подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения построить их рядами так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста; затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких — слева, как показано на рисунке 4, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет выполняться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то мы можем встретиться случайно со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только тогда, когда молекул достаточно много, потому