Раздел 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

§8. АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

3. РАЗМЕРЫ МОЛЕКУЛ И АТОМОВ

ПРОВЕДЕМ ОПЫТ

Капнемо на поверхность спокойной воды капельку масла (лучше взять оливковое масло). Масло растечется по поверхности воды очень тонким слоем. Однако толщина масляной пленки не может быть меньше размера молекулы масла, что и определяет максимальную площадь пленки (рис. 8.7). Так, опыты показывают, что капелька оливкового масла объемом 1 мм3 растекается пятном, площадь которого не превышает 1 м2.

Зная объем капли и площадь масляной пленки, можно оценить длину молекулы масла (эти молекулы имеют удлиненную форму и расположены на поверхности воды перпендикулярно к поверхности). Если из капельки объемом 1 мм3 образуется масляная пленка площадью 1 м2, то толщина пленки, равная примерно длине молекулы масла, составляет около 1 нанометра (нм), т. е. одной миллиардной доли метра! Примите во внимание, что молекула масла состоит из многих атомов!

Самая маленькая молекула — молекула одноатомна гелия (около 0,2 нм). Размер молекулы воды состоит из двух атомов Гідроґену и одного атома Оксиґену, немного больше: около 0,3 нм.

Итак, характерной длиной в мире атомов и молекул является 0,1 нм.

Чтобы вы смогли представить размеры молекул, приведем такие сравнения.

1. В одной чайной ложке воды примерно столько же молекул воды, сколько чайных ложек воды в Мировом океане (во всех морях и океанах Земли вместе взятых). То есть, чтобы пересчитать молекулы воды в чайной ложке, нужно столько же времени, сколько для того, чтобы вычерпать чайной ложечкой весь Мировой океан!

2. Атом Гідроґену примерно в столько раз меньше сливы, во сколько раз сама слива меньше земного

шара. Представьте себе, что огромная Земля состоит вся из слив, — и вы представите, как сама слива состоит из атомов!

«ЖИВЫЕ» МОЛЕКУЛЫ

Все живые существа состоят из огромных, чрезвычайно сложно построенных молекул.

Например, в каждом существе есть особые молекулы, в которых последовательностью атомов «записано» всю так называемую «наследственную информацию» — подобно тому, как в книге буквами набран текст.

Только благодаря невероятно тонкой и точной «работе» таких молекул ребенок похож на своих родителей: котенок — в кошку, а слоненок — слон.

Модель короткого фрагмента такой «наследственной молекулы показано на рис. 8.8. Эти молекулы свернуты в длинные спирали. Чтобы дать вам представление о количестве и длину этих молекул, скажем только, что если бы «наследственные молекулы, которые содержатся в организме одного человека, выстроить в один ряд, то их общая длина была бы в сто раз больше расстояния от Земли до Солнца!

Молекулы, из которых состоят живые существа, часто называют биологическими. Строение и взаимодействие биологических молекул напоминают строение и работу сложных механизмов. Для изучения структуры и действия биологических молекул физика и биология, объединившись, породили новую науку — биофизику. Эта наука изучает строение живых организмов, используя методы не только физики и биологии, но и других наук, например химии и информатики.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ АТОМ является НЕДЕЛИМЫМ?

В начале 20-го века ученые смогли проникнуть и внутрь атома.

Английский ученый Эрнест Резерфорд, «обстреливая» атомы пучками быстрых частиц, установил, что некоторые из этих частиц вследствие столкновения с атомами «отскакивают» обратно! Объяснить это можно было только тем, что внутри атома есть крошечное ядро, в котором сосредоточено практически всю массу атома.

Расчеты, сделанные Резерфордом, показали, что размеры ядра примерно в сто тысяч раз меньше размеров атома. То есть, если атом увеличить до размеров цирковой арены, то ядро было бы «маковым зернышком» посередине арены!

Поэтому Демокрит, который утверждал, что в природе есть только атомы и пустота, недооценил «роль» пустоты: оказалось, что и атомы «наполнены» преимущественно пустотой!

Ядро имеет положительный электрический заряд, а вокруг ядра движутся очень легкие отрицательно заряженные частицы — электроны. Это напоминает Солнечную систему. Сходство атома до Солнечной системы усиливается и тем, что почти вся масса Солнечной системы сосредоточена в Солнце: масса всех планет, вместе взятых, составляет около одной тысячной доли массы Солнца.

Исходя из этого, Резерфорд предложил «планетарную» модель атома, согласно которой электроны в атоме движутся вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако вскоре выяснилось, что движение электронов происходит совсем по другим законам, чем движение планет. Подробнее вы узнаете об этом из курса физики следующих классов.

Итак, оказалось, что атом есть подільним: он состоит из атомного ядра и электронов. Сразу же возник вопрос: а является неделимым атомное ядро?

В дальнейших опытах (в частности, проведенных тем же Резерфордом) выяснилось, что ядро атома состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют электронного заряда.

Массы протона и нейтрона оказались примерно одинаковыми. Это объяснило, почему массы всех атомов примерно кратны массе атома Гідроґену: ядро атома Гідроґену состоит из одного протона, а ядра всех других атомов построены из частиц примерно одинаковой массы, как из одинаковых «кирпичиков».

На рис. 8.9 схематически изображено строение простейших атомов — атомов Гідроґену, Гелия и Лития.

Однако на этом путешествие «внутрь материи» не остановилась: во второй половине 20-го века ученые открыли, что протон и нейтрон — также составные частицы! Подробнее об этом вы тоже узнаете из курса физики следующих классов.