Размер атомов

Сразу стоит подчеркнуть, что решения, которые опираются на число Авогадро или на свойства отдельных молекул, — «обманные», поскольку они неявным образом уже используют размер молекул. Например, требуемую оценку легко получить из плотности и молярной массы воды и числа Авогадро. Однако число Авогадро, которое связывает микромир с макромиром и «знает» про размеры атомов, в чисто макроскопическом эксперименте не проявляется и само требует экспериментального измерения.

Размер атомов предлагается оценить (разумеется, не точно, а только по порядку величины) на основании именно макроскопических характеристик вещества.

Размер молекул можно извлечь из плотности, коэффициента поверхностного натяжения и удельной теплоты парообразования. Сделаем это двумя способами.

Способ 1. Жидкость состоит из молекул, но при этом сохраняет свой объем, а не разлетается на отдельные частицы, как газ. Это значит, во-первых, что молекулы в жидкости держатся друг относительно друга на некотором определенном расстоянии, по порядку величины равном диаметру самой молекулы (d), а во-вторых, что каждое парное взаимодействие между молекулами характеризуется некоторой энергией связи (U). Величины d и U — микроскопические, их численные значения мы заранее не знаем.

При испарении жидкость превращается в разреженный газ, в котором все связи между всеми молекулами можно считать разорванными. Удельная теплота парообразования E, измеряемая в Дж/кг, есть просто-напросто сумма всех межмолекулярных энергий связи, которые изначально были в килограмме воды. Помножив удельную теплоту парообразования на плотность ρ и на (неизвестный пока) объем, занимаемый одной молекулой (порядка d³), мы получим энергию связей в расчете на одну молекулу. Эта величина раза в 2–3 больше U — ведь каждая молекула обычно связана с несколькими (4–6) соседями: Eρd³ = 2U.

С другой стороны, явление поверхностного натяжения состоит в том, что всякая свободная поверхность жидкости характеризуется «лишней» энергией, пропорциональной площади поверхности: E_пов = σS. Эту энергию можно легко измерить на опыте и извлечь отсюда коэффициент поверхностного натяжения σ. Микроскопически, эта энергия возникает из-за того, что в самом приповерхностном слое жидкости есть молекулы с «неработающими связями», то есть со связями, которые торчат наружу, в пустоту, а не замкнуты на соседние молекулы. Таких связей мало, скажем одна на каждую молекулу, и энергия этой «неработающей связи» примерно равна U. Поскольку каждая поверхностная молекула занимает площадь примерно d², эту же величину U можно записать как σd².

Приравнивая величину U, полученную этими двумя способами, находим типичный размер: d = 2σ/Eρ.

Способ 2. Возьмем сферическую каплю жидкости и разделим ее на две капли. Суммарный объем не изменился, но площадь поверхности возросла, а значит, возросла и энергия поверхностного натяжения. Поэтому на такое разделение нам надо затратить энергию, равную разности поверхностных энергий вначале и в конце. Будем дробить каплю всё дальше и дальше, пока не дойдем до «капель» размером с молекулу. Строго говоря, при таких размерах про поверхностное натяжение уже говорить нельзя, но для самых грубых оценок можно тем не менее сосчитать получившуюся «суммарную площадь поверхности», домножить ее на σ и найти, какую энергию надо затратить на такое разделение. Но разделение жидкости на отдельные «капли» размером с молекулу и есть процесс парообразования. Таким образом тоже можно получить формулу наподобие приведенной выше, но только с чуть отличающимся численным коэффициентом.

Осталось подставить числа. Плотность воды 1000 кг/м³, коэффициент поверхностного натяжения 0,07 Дж/м², удельная теплота парообразования 2,3 МДж/кг. Размер молекулы отсюда получается 0,6·10^–10 м. Это примерно в 3 раза меньше реального размера молекулы, что совсем неплохо для столь грубой оценки.

Это, конечно, не единственный способ узнать размеры молекул на основании макроскопических данных, однако все подобные методы дают лишь очень грубую оценку по порядку величины. Намного более аккуратно измерить размеры можно при рассеянии рентгеновских лучей (а также электронов или нейтронов) с длиной волны меньше нанометра на кристаллах. Дифракционный узор показывает не только размеры кристаллической ячейки, но и рассказывает о том, как атомы в ней расположены друг относительно друга.

Интересно отметить, что еще в начале XX века далеко не все ученые придерживались атомистической картины строения вещества. Ключевыми моментами, доказавшими реальность молекул, было описание Эйнштейном броуновского движения и закона диффузии, а также обнаружение Перреном седиментационного равновесия (Нобелевская премия по физике за 1926 год). В обоих экспериментах микроскопически частицы вещества, размер которых можно было определить через наблюдение в микроскоп, вели себя в чём-то похоже на отдельные молекулы вещества, что и позволило «навести мосты» между микромиром и миром повседневных явлений.