§ 7. Строение вещества

фундаментальное физическое свойство материи, заключающееся в том, что любое вещество в природе не является сплошным (непрерывным), а состоит из отдельных микроскопических обособленных частиц, разделённых промежутками.

• 1. Принцип кажущейся сплошности — макроскопические физические тела кажутся человеческому глазу сплошными исключительно из-за ничтожно малых размеров самих частиц и промежутков между ними, которые невозможно различить невооружённым глазом.
• 2. Предел делимости — деление макроскопического тела на части не может продолжаться бесконечно: при дроблении вещества мы неизбежно доходим до мельчайших частиц, сохраняющих химические свойства исходного вещества.

наименьшая, химически неделимая частица химического элемента, являющаяся пределом химического разложения любого простого или сложного вещества.

• 1. Происхождение термина — от древнегреческого слова ἄτομος («атомос»), что буквально означает «неделимый» или «нерассекаемый».
• 2. Атомистическая гипотеза Демокрита — более 25 веков назад древнегреческий философ Демокрит (ок. 460 — ок. 370 до н. э.) первым высказал гениальную догадку о том, что всё многообразие мира построено из невидимых, неделимых, вечных и неизменных атомов, разделённых пустотой.
• 3. Вклад М. В. Ломоносова — великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) развил учение о «корпускулах» (молекулах) и «элементах» (атомах), заложив кинетические основы теории строения вещества задолго до её признания на Западе.
• 4. Экспериментальное признание — молекулярно-атомистическая теория прошла путь от умозрительной гипотезы античности до строгой доказательной науки и получила всеобщее экспериментальное признание лишь в начале XX века.

свободные пространства, разделяющие атомы и молекулы внутри любого физического тела во всех агрегатных состояниях.

• 1. Доказательство наличия промежутков — возможность растворения одного вещества в другом без пропорционального увеличения суммарного объёма (частицы одного вещества размещаются в промежутках между частицами другого), а также сжимаемость газов, жидкостей и твёрдых тел под давлением.
• 2. Зависимость объёма от промежутков — реальный физический объём любого тела всегда больше суммы объёмов составляющих его микрочастиц именно на величину суммарного объёма межчастичных промежутков.

физическое явление изменения линейных размеров и объёма макроскопического тела при изменении его температуры.

• 1. Микроскопический механизм расширения — при нагревании тела увеличивается кинетическая энергия и скорость теплового движения его частиц, частицы начинают сильнее отталкиваться друг от друга, в результате чего средние расстояния (промежутки) между ними увеличиваются, и объём тела возрастает.
• 2. Охлаждение тел — при понижении температуры интенсивность теплового движения частиц падает, средние промежутки между ними сокращаются, и объём тела уменьшается.
• 3. Практическое применение — тепловое расширение жидкостей (ртути, подкрашенного спирта) положено в основу конструкции жидкостных термометров, где высота столбика жидкости в узкой капиллярной трубке однозначно указывает температуру окружающей среды.

Древнегреческий философ-материалист и естествоиспытатель, основоположник античной атомистики, впервые выдвинувший гипотезу о дискретном строении материи.

• Выдвинул учение о том, что все тела в окружающем мире состоят из мельчайших, невидимых глазом и неделимых материальных частиц — атомов.
• Обосновал атомистическую гипотезу с помощью рассуждений о последовательном делении вещества, указав на существование объективного предела деления тел.
• Сформулировал гениальную научную догадку, которая более чем через две тысячи лет легла в основу современной молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Великий русский учёный-энциклопедист, физик и химик, заложивший основы корпускулярной философии и развивший атомистические представления о строении вещества до уровня строгой научной теории.

• Разработал корпускулярную теорию строения материи, согласно которой все вещества состоят из мельчайших элементов (атомов), образующих корпускулы (молекулы).
• Объяснил изменение объёма тел при нагревании и охлаждении расширением промежутков между частицами вещества вследствие их более интенсивного механического движения.
• Превратил умозрительную античную гипотезу об атомах в фундамент физической науки, предвосхитив полное признание молекулярной теории в XX веке.

Дискретное (прерывистое) строение вещества доказывается серией прямых и косвенных физических экспериментов:

• Опытами по многократному растворению и дроблению вещества: крупинка красителя или марганцовки окрашивает огромный объём воды, делясь на триллионы невидимых частиц, распространяющихся по всему раствору;
• Опытами по сжатию и тепловому расширению тел: твёрдые тела, жидкости и газы меняют свой объём при нагревании, охлаждении или механическом сжатии, что возможно только в том случае, если они состоят из отдельных частиц, между которыми есть изменяемые промежутки;
• Наблюдением диффузии и броуновского движения: самопроизвольное взаимное проникновение веществ и непрерывный танец микрочастиц в жидкости прямо свидетельствуют о существовании подвижных молекул;
• Прямым наблюдением на современных исследовательских приборах: электронные и сканирующие туннельные микроскопы позволяют получать прямые изображения кристаллической решётки и регистрировать отдельные атомы и молекулы.

Доказательством чрезвычайной малости частиц служат следующие классические опыты:

• Опыт со ступенчатым разбавлением краски (рис. 20 учебника): маленькую крупинку краски растворяют в первом стакане воды. Затем отливают небольшую часть окрашенного раствора во второй стакан и доливают чистой водой. Процедуру повторяют в третьем и четвёртом стаканах. Вода в последнем стакане всё ещё остаётся окрашенной, хотя исходной краски в нём содержится ничтожная доля миллиграмма. Это доказывает, что даже в микроскопической крупинке краски содержалось гигантское количество обособленных частиц;
• Опыт с растиранием пахучих веществ: микроскопическая капля эфирного масла или духов испаряется и разносит различимый запах по помещению объёмом в сотни кубических метров, насыщая воздух миллиардами молекул;
• Опыт с получением тончайших плёнок: капля масла, помещённая на поверхность воды, растекается в тончайшую плёнку толщиной всего в одну молекулу (порядка $10^{-9}\text{ м}$), занимая площадь в десятки квадратных дециметров;
• Опыт с золочением: тончайший золотой листок (сусальное золото) толщиной в сотые доли микрона остаётся сплошным и непроницаемым, что говорит о ничтожных размерах атомов золота.

Изменение объёма тела при нагревании и охлаждении объясняется изменением величины промежутков между его частицами, а не размерами самих частиц:

• Сами атомы и молекулы при нагревании не увеличиваются в размерах и не разбухают;
• При повышении температуры возрастает скорость и кинетическая энергия хаотического теплового движения частиц вещества (в твёрдых телах усиливается амплитуда колебаний атомов около узлов кристаллической решётки, в жидкостях и газах возрастает скорость их поступательного перемещения);
• При более интенсивных соударениях частицы сильнее расталкивают друг друга, в результате чего среднее расстояние между соседними частицами (промежутки) увеличивается, что приводит к увеличению макроскопического объёма тела;
• При охлаждении кинетическая энергия частиц снижается, размах их колебаний уменьшается, частицы сближаются под действием сил притяжения, и объём тела сокращается.

• Описание проведения опыта: стеклянную колбу наполняют до краёв подкрашенной жидкостью (водой) и плотно закрывают пробкой, сквозь которую пропущена узкая вертикальная стеклянная трубка. Часть жидкости входит в трубку, устанавливаясь на начальном уровне. Затем колбу помещают над пламенем спиртовки или опускают в ёмкость с горячей водой. В процессе нагревания наблюдается подъём столбика жидкости в узкой трубке на заметную высоту.
• Вывод из опыта: не только твёрдые тела, но и жидкости при нагревании увеличивают свой объём (испытывают тепловое расширение).
• Объяснение результатов: при сообщении теплоты молекулы воды начинают двигаться быстрее, амплитуда их тепловых колебаний возрастает, средние промежутки между молекулами воды увеличиваются. Так как объём всей массы воды возрастает, а стеклянная колба не может вместить расширившуюся жидкость, избыток объёма вытесняется в узкую трубку, что фиксируется по подъёму уровня столбика.

Нет, утверждать это категорически нельзя.

Объём воды в сосуде всегда строго больше суммарного собственного объёма всех составляющих её молекул. Вода, как и любое другое вещество, обладает дискретным строением: между её молекулами постоянно существуют свободные межмолекулярные промежутки. Макроскопический объём воды $V_{\text{сосуда}}$ складывается из собственного объёма самих частиц $\sum V_{\text{частиц}}$ и суммарного объёма пустого пространства между ними $V_{\text{промежутков}}$:

$$V_{\text{сосуда}} = \sum V_{\text{частиц}} + V_{\text{промежутков}} > \sum V_{\text{частиц}}$$

Именно наличие этих свободных промежутков объясняет, почему воду можно сжать под действием сверхвысоких давлений, почему при растворении сахара или соли общий объём раствора возрастает меньше, чем объём добавленного вещества, и почему объём воды меняется при нагревании и охлаждении.

Увеличение длины столбика ртути происходит вследствие теплового расширения жидкости:

• В резервуаре термометра находится фиксированное количество ртути, состоящей из огромного числа атомов, разделённых промежутками;
• При контакте с тёплым телом температура ртути повышается, кинетическая энергия теплового движения её атомов возрастает;
• Атомы ртути начинают колебаться с большей интенсивностью и сильнее отталкиваться друг от друга, в результате чего средние промежутки между атомами увеличиваются;
• Это вызывает расширение общего объёма ртути в резервуаре. Поскольку стенки резервуара жёсткие, а объём увеличился, ртуть устремляется в тончайший капилляр термометра, и длина её столбика возрастает прямо пропорционально температуре.

• Временной промежуток: от первых догадок Демокрита (V–IV века до н. э., ок. 400 г. до н. э.) до окончательного экспериментального триумфа и всеобщего научного признания молекулярно-кинетической теории (начало XX века, опыты Ж. Перрена 1908–1911 гг., подтвердившие теорию Эйнштейна и Смолуховского) прошло более 2300 лет (свыше 23 веков).
• Причины столь длительного промежутка:
• В античности атомистическое учение оставалось чисто умозрительной философской гипотезой, так как древние мыслители не располагали методами экспериментальной физики и измерительными приборами для её проверки;
• Размеры атомов и молекул колоссально малы (порядка $10^{-10}$–$10^{-9}\text{ м}$), их невозможно обнаружить с помощью обычных оптических линз и микроскопов из-за дифракционного предела видимого света;
• Долгие столетия наука развивалась под влиянием авторитета Аристотеля, отрицавшего существование пустоты и атомов;
• Научная теория требовала точных математических законов и количественных экспериментов, которые стали возможны лишь с развитием химии газов (Ломоносов, Лавуазье, Дальтон, Авогадро) в XVIII–XIX веках и физики микромира (электронные микроскопы, статистическая физика) в XX веке.