Броуновское движение и взаимодействие молекул

Капля прудовой воды под школьным микроскопом похожа на оживлённую площадь: в ней снуют крошечные зёрнышки пыльцы, и ни одно не стоит на месте. Зёрнышко дёргается влево, замирает, срывается вправо, кружится — и так часами, без мотора и без пауз. Вода в чашке неподвижна, а пляска продолжается. Эту загадку физики разгадывали почти восемьдесят лет, и отгадка открыла дорогу сразу к трём вопросам: почему кусок железа не рассыпается в пыль, почему капля воды на стекле растекается, а на парафине собирается в шарик и чем на самом деле различаются лёд, вода и пар.

Броуновское движение: дрожь, выдавшая молекулы

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп цветочную пыльцу, плавающую в воде, и заметил странное: мельчайшие зёрнышки дёргались без остановки, хаотично меняя направление. Первое объяснение напрашивалось само — пыльца живая, вот и движется. Броун был осторожным исследователем и проверил догадку: растёр пыльцу из музейных образцов столетней давности — дрожь не исчезла. Подошли и порошок стекла, и каменная крошка: плясало всё, что достаточно мелко. Значит, дело не в жизни, и толкает зёрнышки что-то невидимое, спрятанное в самой воде.

Ответ дала молекулярная теория. Вокруг каждого зёрнышка со всех сторон летают молекулы воды, которых не видно ни в один школьный микроскоп, и ни секунды не перестают бить о него. У крупного тела ударов много, и они в среднем гасят друг друга. У мельчайшей частицы мишень крошечная: в каждый момент с одной стороны налетает чуть больше молекул, чем с другой, перевес скачет то влево, то вправо — частицу сносит с места на место. Эту вечную дрожь назвали броуновским движением. В 1905 году Альберт Эйнштейн построил количественную теорию и вывел формулы, связывающие размах дрожи с размером частицы и свойствами жидкости, а в 1908 году француз Жан Перрен проверил формулы опытами и вычислил размеры молекул. Дрожь пыльцы оказалась тепловым движением, увиденным через посредника, — и прямым доказательством того, что молекулы существуют и никогда не останавливаются. Из правил дрожи выходит школьный вывод: чем мельче частица, тем заметнее пляска, чем выше температура, тем она резче — значит, температура является мерой средней скорости движения молекул.

Силы притяжения и отталкивания между молекулами

Если бы молекулы только отталкивались, кусок железа рассыпался бы в пыль, а вода разлетелась бы туманом. Если бы только притягивались — все тела сжались бы в плотные комочки, и продавить камень было бы так же легко, как губку. На самом деле у молекул есть обе силы, и включаются они по-разному. Попробуй сжать воду в шприце, зажав пальцем носик, — почти ничего не выйдет: сближенные молекулы упираются отталкиванием. Попробуй разорвать руками стальную проволоку — не выйдет тоже: теперь молекулы цепляются притяжением. На равновесном расстоянии обе силы уравновешивают друг друга, поэтому молекулы держатся на одном промежутке, а тело сохраняет объём. Притяжение видно и на опытах: два свинцовых цилиндра с чистыми срезами, прижатые друг к другу, слипаются так крепко, что на них подвешивают гирю, а две стеклянные пластинки с тонким слоем воды между ними держатся без всякого клея — их стягивают миллионы водяных мостиков.

Смачивание и несмачивание

Добавим третье действующее лицо — молекулы другого вещества на границе. Капля воды на чистом стекле растекается лепёшкой: молекулы воды притягиваются к стеклу сильнее, чем друг к другу, и стекло растягивает их в стороны. Такое поведение называют смачиванием. Та же капля на куске парафина собирается в почти круглый шарик: притяжение к парафину слабее, чем между самими молекулами воды, — поверхность не смачивается. Вода в обоих опытах одна и та же: решает соотношение двух притяжений, «жидкость к жидкости» против «жидкость к поверхности». Жирная поверхность воду почти не притягивает, поэтому по перьям утки, смазанным жиром, капли скатываются шариками, не намачивая перо. На этом держится целая техника: клей обязан смачивать поверхности, иначе ни одна молекула не сцепится с ними; расплавленный припой затекает в шов только на чистом металле, а на окисной плёнке лежит шариками, поэтому перед пайкой место зачищают и покрывают флюсом; зонты и водостойкие ткани обработаны так, чтобы вода на них не смачивалась и уходила каплями.

Три состояния вещества глазами МКТ

Лёд, жидкая вода и пар построены из одинаковых молекул — различаются расстояния между ними и то, как работают силы. В твёрдом теле частицы сидят вплотную в строгом порядке: притяжение крепко держит каждую на её месте, остаётся лишь колебаться рядом, поэтому кристалл хранит и форму, и объём. В жидкости частицы так же прижаты друг к другу, но строгого порядка нет: притяжение ещё удерживает соседей рядом, однако время от времени молекула вырывается и перескакивает на новое место. Объём сохраняется, форма нет — жидкость течёт. В газе расстояния во много раз больше самих молекул: притяжение почти не работает, и каждая молекула летит свободно, пока не столкнётся с соседкой. Поэтому газ занимает весь сосуд и легко сжимается, а воду или сталь сжать почти невозможно — прижатые вплотную молекулы упираются отталкиванием. Нагрев усиливает движение и перебрасывает вещество между тремя агрегатными состояниями: лёд тает, вода испаряется, а молекула остаётся той же.

Броуновское движение доказало, что молекулы вечно движутся, а пара сил «притяжение — отталкивание» объяснила, почему вещество вообще держит форму и объём. Дальше по программе идут тепловые явления: внутренняя энергия, теплопередача, плавление и кипение. За сюжетами с калориметрами и градусниками стоит та же дрожь частиц и те же силы: держи в голове расклад «расстояния — силы — свойства», и новые темы лягут на готовый фундамент. Проверь себя квизом, а тренажёр прогони дважды — он меняет числа.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема