Не эти ли потоки, сталкиваясь друг с другом и взаимно перемешиваясь, заставляют пылинки двигаться? Ну что же, это можно проверить! Возьмем стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдет несколько часов или, если хотите, дней, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловые потоки в ней исчезнут. Вероятно, и наши пылинки, не подгоняемые более, перестали двигаться? Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление: как и раньше, они беспорядочно мечутся, гонимые какой-то неведомой силой.
Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоев, причина движения пылинок. Поищем другое объяснение этого загадочного явления.
Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.
Чтобы избежать каких бы то ни было сотрясений, ученые опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!
Что же заставляет их двигаться?
Если присмотреться к нашему опыту, то в глаза бросится обстоятельство еще более странное, чем движение пылинок.
В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжелым, чем вода. В последнем случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что часть частиц, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположится так, как это изображено на рисунке 9.
Рис. 9. Так располагаются мельчайшие частички в сосуде с водой.
Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!
Что же мешает частичкам упасть?
Оказывается, одна и та же причина заставляет частицы двигаться и не дает им упасть. Это удары о них молекул воды.
Конечно, причудливые движения каждой цветочной пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в какое-либо мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинки двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.
Описанное движение мельчайших пылинок было открыто известным, шотландским ботаником Броуном и названо по его имени броуновским. А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским ученым М. Смолуховским.
Броуновское движение позволяет ученым обнаруживать движение молекул так же, как движение листвы деревьев позволяет заметить даже слабое дуновение ветерка.
Рис. 10. Схема броуновского движения.
Со скоростью пули
В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твердыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не все, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твердые тела; поведение молекул газов легче изучить и понять.
Если бы мы построили микроскоп, в который можно было бы видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.
Важный для науки закон, который указывает, как распределяются молекулы по скоростям (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.
По этому закону подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом, без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.
Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения, построить их рядами, так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста, затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких слева, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет оправдываться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то можно случайно встретиться со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только в том случае, если молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объеме, равном булавочной головке, содержится громадное число молекул, исчисляющееся цифрой с 16 нулями. Поэтому во всех практических случаях можно без существенной ошибки считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.
Какова же величина средней скорости движения молекул газа?
У разных газов она различна.
Самые быстрые молекулы — молекулы легкого газа водорода. Медленнее движутся молекулы кислорода. Еще медленнее — молекулы углекислоты, тяжелого газа, образующегося при многих химических превращениях и, в частности, при горении.
При обычной температуре молекула водорода пробегает около 2 километров в секунду, то-есть около 7 000 километров в час (рис. 11).
Рис. 11. При обычных температурах молекулы водорода движутся быстрее самолета и поезда.
Молекулы кислорода совершают за 1 секунду путь около 500 метров, то-есть около 1 800 километров в час. Скорость движения молекул углекислоты — 1 200 километров в час. Еще медленнее движутся молекулы некоторых сложных веществ; например, молекулы вещества, называемого карбонилом никеля, проходят за час меньше 600 километров. Такую молекулу легко обгонит современный самолет.
Эти цифры вызывают законное удивление. В самом деле, молекулы водорода, двигаясь беспрепятственно, облетели бы вокруг Земли по экватору всего за 6 часов. Даже медленная молекула углекислоты совершила бы это путешествие меньше чем за двое суток.