Беспокойные молекулы. Пустые атомы и парение над стулом

Беспокойные молекулы

Атомы похожи на маленьких детей: они не могут находиться в покое. Вода в стоящем на столе стакане кажется неподвижной, но на самом деле молекулы воды находятся в постоянном и хаотичном движении. Эйнштейн догадался, что эффект, впервые обнаруженный шотландским ботаником Робертом Броуном в 1827 году, может быть объяснен именно движением молекул.

Наблюдая в микроскоп за пыльцой примулы в капле воды, Броун заметил, что частицы пыльцы непрерывно движутся. Поначалу он приписал это некой жизненной силе, содержащейся в пыльце, но затем выяснилось, что точно так же ведут себя частицы минеральной пыли и сажи. Дело было не в жизненной силе, а в активности самой воды. Этот эффект назвали броуновским движением. Эйнштейн понял, что оно создается за счет того, что хаотично двигавшиеся молекулы воды натыкаются на частицы пыльцы, и математически обосновал эту теорию. Немного позже, в 1912 году, французский физик Жан Перрен провел серию экспериментов и впервые доказал, что атомы и молекулы действительно существуют.

Сегодня мы можем не только разглядеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. В 1989 году группа ученых из компании IBM впервые продемонстрировала, что электронный микроскоп может использоваться не только для наблюдения за объектами, но и для управления ими. В частности, с его помощью они научились перемещать отдельные атомы. Спустя два месяца ученые смогли составить из 35 атомов ксенона заглавные буквы IBM.

Буквы IBM, составленные из атомов ксенона. Публикуется с разрешения «Press Association Images»

Чуть раньше, в 1980 году, Ганс Демельт, работавший в Вашингтонском университете, изолировал ион бария (ион — это атом, в котором либо не хватает электронов, либо присутствуют лишние электроны, за счет чего он имеет электрический заряд). При подсветке лучом лазера ион бария был ясно виден невооруженным глазом в виде светящейся точки, перемещающейся в пространстве. Вы, конечно, можете возразить, что ион увидеть невозможно и что мы видим только отражающийся от него свет. Но ведь именно так мы видим и любой другой объект.

Пустые атомы и парение над стулом

Атомы нашего тела не только очень малы, но и состоят главным образом из пустоты. Если бы вам удалось сжать материю своего тела, сблизив до предела все частицы, из которых состоят атомы, то образовался бы кубик со стороной менее 1/500 сантиметра.

Одним из чудес космоса являются нейтронные звезды, в которых атомы сжаты до такого предела, что пустое пространство в них отсутствует. В одном кубическом сантиметре вещества, из которого состоит нейтронная звезда (это чуть больше кусочка сахара), содержится около 100 миллионов тонн материи. Целая звезда тяжелее Солнца была бы размером примерно с остров Манхэттен.

Но не опасайтесь, с вашим телом такого не произойдет. Без мощного гравитационного воздействия атомы останутся стабильными. Они образуют молекулы, в частности молекулы кератина, из которых состоит волос, и удерживаются вместе благодаря электромагнитной силе — одной из четырех фундаментальных сил, о которых мы более детально поговорим в 6‑ й главе. Молекула может состоять из атомов одного элемента. Так, например, молекула кислорода, которым мы дышим, содержит два одинаковых атома. Но молекула может также состоять из атомов различных элементов. К числу сложных молекул относятся, например, хлористый натрий (обыкновенная поваренная соль) и тот же кератин.

Атомы, из которых состоит вся материя, никогда не соприкасаются друг с другом. Чем ближе они находятся друг к другу, тем больше отталкивающая сила, возникающая в результате взаимодействия их электрически заряженных составных частей. Аналогичное явление мы можем наблюдать, если попытаемся сблизить одноименные полюса двух мощных магнитов. Даже когда кажется, что два тела соприкасаются, на самом деле это не так. Допустим, когда вы сидите на стуле, вы фактически не прикасаетесь к нему. Ваше тело парит над сиденьем на бесконечно малом расстоянии, поддерживаемое отталкивающими силами между атомами.

Возьмите пару магнитов и вспомните, какое удивление вызывало у вас в детстве их взаимодействие. Пожалуй, отталкивание одноименных полюсов представляется даже более таинственным явлением, чем притяжение. Но оно происходит всегда, когда сближаются два предмета. Взаимодействие, удерживающее атомы ваших ягодиц от соприкосновения с атомами сиденья, имеет скорее электрическую, чем магнитную природу, но в принципе оно схоже с отталкиванием одноименных магнитных полюсов.