Замечательный ребус
Какие же силы удерживают частицы твердого тела в определенных положениях, характерных для кристалла? Что мешает им разлететься по всем направлениям? Силы молекулярного или атомного притяжения, скажете вы. Но какова природа этих сил? Что заставляет два атома или две молекулы притягивать друг друга?
Если кристалл состоит из ионов, как, например, кристалл поваренной соли, объяснить притяжение частиц друг к другу легко.
Все знают, что если потереть расческу о шерстяную материю, то она будет притягивать кусочки папиросной бумаги, соломинки и другие легкие предметы. Мы говорим, что расческа наэлектризовалась и противоположные электрические заряды притягивают друг друга.
Кристалл поваренной соли состоит из чередующихся ионов натрия и хлора. Ион натрия заряжен положительно, ион хлора — отрицательно. Благодаря электрическим зарядам ионы притягиваются один к другому, обеспечивая тем самым прочную кристаллическую решетку.
Труднее объяснить возникновение сил притяжения между совершенно одинаковыми атомами углерода в алмазе или между молекулами нафталина в кристаллическом нафталине.
Однако и в этом случае причина молекулярного притяжения коренится в электрических зарядах, имеющихся в каждом атоме или молекуле. Силы притяжения, действующие между любыми частицами, имеют, в конечном счете, электрическую природу. Величина их зависит от расстояния между частицами. На больших расстояниях эти силы невелики, но при сближении частиц возрастают: чем ближе друг к другу расположены частицы, тем сильнее они притягиваются.
Вы можете спросить, почему же тогда атомы или молекулы в кристалле остаются на определенных расстояниях, не сливаясь в одну большую атомную каплю.
Причина этого в том, что когда частицы подойдут достаточно близко одна к другой, между ними возникают силы отталкивания. Правда, молекулярное отталкивание проявляется только на очень близких расстояниях, но зато оно возрастает по мере сближения частиц гораздо быстрее, чем притяжение. В результате при определенном расстоянии между частицами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания. И это происходит как раз тогда, когда частицы располагаются в узлах кристаллической решетки. Поэтому в кристалле силы притяжения в точности равны силам отталкивания, и на частицы как бы не действуют никакие силы.
В 1660 году английский физик Р. Гук, исследуя поведение твердых тел под действием силы, открыл важный закон природы. По обычаю века он записал закон по-латыни и придал ему вид анаграммы:
Рассматривая этот ребус, истинные ученые могли сами из приведенных букв составить найденный Гуком закон.
При этом они получили бы:
что в переводе означает:
«Каково растяжение, такова сила».
Закон Гука сохранил свое значение до нашего времени. И теперь мы говорим: под действием силы в теле возникает растяжение; чем больше растяжение, тем больше возникшее в теле напряжение.
Атомное учение объясняет, почему это происходит. Когда на кристаллическое тело действует сила, частицы, образующие тело, смещаются из положений равновесия, — кристаллическая решетка искажается. Если при этом частицы сближаются, то верх берут силы отталкивания, возрастающие быстрее, чем силы притяжения. В теле возникает напряжение, уравновешивающее действующую силу. Чем больше сместятся частицы, тем большее возникает напряжение. Если же частицы отходят одна от другой, то преобладающими оказываются силы притяжения, уменьшающиеся с расстоянием более медленно, чем силы отталкивания.
В теле снова возникнет напряжение, уравновешивающее действующую силу, но только направлено оно будет в противоположную сторону. И опять, чем больше сместятся частицы, чем больше удлинится тело, тем больше будет возникшее напряжение.
Закон Гука позволяет правильно рассчитывать прочность различных сооружений, машин, подъемных механизмов. Пользуясь им, конструктор заранее узнает, как изменится форма создаваемой им детали под действием различных сил. Все сооружения и машины, окружающие нас, построены с учетом этого закона.
При прекращении действия силы первоначальная форма тел восстанавливается, изменение формы, или, как говорят, деформация, исчезает. Такую деформацию называют упругой. Восстановление формы вызывается внутренними напряжениями, возникающими в теле при деформации.
Однако не все деформации упруги. Увеличивая действующую силу, можно вызвать такое изменение формы, которое уже не исчезнет при удалении силы. Тело приобретет несколько иную форму — деформация сохранится. В этом случае говорят, что возникла остаточная деформация. Возникновение остаточной деформации легко объяснить с помощью атомной теории. Сохраняющееся изменение формы вызывается таким перемещением частиц, образующих кристалл, при котором плоскости спайности как бы скользят одна по другой. В результате этого скольжения частицы не только сближаются или удаляются друг от друга, но и меняются местами со своими соседями так, что какой-либо атом или ион оказывается лежащим против частицы, ранее расположенной сбоку от него. Когда действие силы, вызывающей деформацию, прекращается, характер расположения частиц в кристалле восстанавливается, внутренние напряжения исчезают, однако смещение плоскостей спайности сохраняется. Так возникает остаточная деформация.
Изучение кристаллических решеток различных твердых тел позволяет вычислить напряжения, возникающие в них при деформации.
Как мы видим, атомное учение позволяет понять и свойства твердых тел, объяснить закономерности, которым подчиняется их поведение.
Так наука решила задачу, сформулированную в свое время великим Ломоносовым: «сыскать причины видимых свойств в телах на поверхности происходящих от внутреннего их сложения».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы рассказали о немногих из тех интересных явлений, которые связаны атомно-молекулярным строением вещества.
Теперь читателю должно быть ясно, как, учитывая движение молекул, из которых состоят все тела, можно объяснить их свойства, понять, что такое теплота, найти законы, которым подчиняются превращения вещества, и т. д.
Эти знания необходимы человеку в его практической деятельности. Без них нельзя строить совершенные двигатели, мощные самолеты, дешево получать важные для промышленности продукты. Эти знания важны нам и по другой причине. Они говорят о том, что мир материален, что движением молекул мы можем объяснить явления, протекающие в окружающей нас природе, без помощи каких бы то ни было божественных сил.
Наука не стоит на месте. С каждым годом она раскрывает все новые и новые тайны природы. Сегодня мы превосходим то, что еще вчера считали пределом наших знаний.
Не надо, однако, думать, что развитие науки представляет собой ничем не осложненное, постепенное приближение человека к истинному пониманию природы. Наука развивается в непрерывной борьбе старого, отжившего, с новым, передовым.
Широкие возможности для развития науки открыла в нашей стране Великая Октябрьская социалистическая революция.
Ученые Советской страны настойчивой работой вырывают у природы ее секреты. Не дожидаясь милостей от природы, они заставляют ее служить человеку.
Сканирование — AbsurdMan
DjVu-кодирование — Беспалов
