С другой стороны, мы знаем, как медленно распространяются запахи. Если на некотором расстоянии от нас разольют бензин, то для того, чтобы запах дошел до нас, необходимо некоторое время. Но ведь скорость распространения запаха — это и есть как будто скорость движения молекул пахучего вещества в воздухе. Как же примирить быстрое движение молекул, проходящих сотни метров в секунду, с медленным распространением запаха?
«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны», — писал М. В. Ломоносов.
Распространение одного газа в другом, вызванное беспорядочным движением молекул, называется диффузией. Теперь нам понятно, почему диффузия происходит медленно.
Соударение молекул! Вот в чем причина медленности диффузии. Хотя молекулы газов и движутся с очень большими скоростями, они проходят без соударения только очень короткие пути — миллионные доли сантиметра.
Соударения резко изменяют направление движения молекул и придают их путям причудливую, замысловатую форму.
Таким образом, двигаясь очень быстро, но непрерывно меняя направление своего движения, молекулы как бы «толкутся» на месте. В этом суетливом движении молекулы медленно перемещаются вперед.
Чем чаще происходят соударения, тем медленнее диффундирует газ. В окружающем нас воздухе соударения молекул происходят очень часто. Если бы мы попытались сосчитать удары, которые испытывает молекула только за одну секунду, и при этом условились тратить одну минуту на сосчитывание ста ударов, то для этого понадобилось бы около двухсот лет.
Молекулы, летящие со скоростью пули, бесчисленные соударения, причудливый узор пути, своеобразный закон распределения молекул по скоростям… Все это может заронить сомнение в реальности наших объяснений.
В науке установилось золотое правило — проверять опытом все предположения, как бы остроумны они ни были. Нет оснований делать исключение и для молекул. Надо измерить скорости движения мельчайших частиц, проверить, как распределяются эти скорости: какая доля молекул движется быстро, какая медленно.
Не фантазия ли это?
Однако как же измерить скорость движения молекул, если молекулы столь малы, что их нельзя рассмотреть даже в самый сильный микроскоп?
Вероятно, многие замечали, что стеклянный колпачок перегоревшей электрической лампочки часто бывает покрыт темным налетом. Отчего возникает этот налет?
Когда электрическая лампочка включена, металлический волосок, от которого исходит свет, сильно накален. От его поверхности непрерывно отрываются атомы металла. Оторвавшись, атомы разлетаются в разные стороны и, ударившись о стенку стеклянного колпачка, прилипают к ней. Так, волосок, теряя атомы, делается все тоньше и тоньше, а на стекле образуется постепенно утолщающийся слой осевших атомов. Когда слой осевших атомов сделается достаточно толстым, его можно будет различить глазом: мы увидим на стекле темный налет. Чем больше осядет атомов, тем темнее будет этот налет.
Волосок электрической лампочки делают из какого-либо тугоплавкого металла, например из вольфрама, у которого атомы с трудом отрываются от поверхности. Поэтому лампочка горит много часов, прежде чем на колпачке возникнет заметный налет. Изготовив волосок из легкоплавкого металла, можно получить темный налет очень быстро.
Этим явлением и воспользовались ученые, для того чтобы измерить скорости движения атомов.
Если из стеклянного баллончика очень тщательно откачать воздух, то оторвавшиеся от металла атомы будут долетать до стенки, не ударяясь по пути о молекулы воздуха. В этом случае путь каждого атома будет известен: он будет начинаться на поверхности волоска и оканчиваться на стенке баллончика. Теперь, для того чтобы определить скорость движения атомов, достаточно узнать время, которое затрачивают атомы на свое путешествие.
Для решения этой задачи был построен специальный прибор.
Справа от накаленного волоска расположена ширма с узкой щелью, а за нею, на некотором расстоянии, экран. Ширма преграждает путь всем атомам, кроме тех, которые попадут в щель. За ширмой летящие атомы образуют узкий лучик. Осев на экране, они создадут несколько увеличенное темное изображение щели (рис. 12).
Рис. 12. Устройство прибора для определения скоростей молекул.
По существу, мы встречаемся здесь с тем же приемом, которым пользуются маляры при нанесении рисунка с помощью трафарета. Как известно, трафаретом называют пластинку, в которой сделано отверстие по форме желаемого рисунка. Приложив трафарет к стене, проводят по нему кистью с краской. Краска попадает на стену только в местах, соответствующих отверстиям в трафарете. Сняв трафарет, мы видим на стене рисунок.
В описываемом опыте роль кисти с краской играет пучок быстро летящих атомов.
В неподвижном приборе изображение щели приходится как раз напротив нее.
Предположим теперь, что прибор быстро вращается против часовой стрелки вокруг накаленного волоска. Каждый атом по-прежнему будет двигаться прямолинейно. Однако теперь за то время, которое требуется атому для того, чтобы, пройдя щель, долететь до экрана, весь прибор успеет слегка повернуться, и атом прилипнет к экрану не в том месте, где раньше, а несколько в стороне.
Если бы все атомы двигались с одинаковой скоростью, то изображение щели на экране, не изменившись по форме, сместилось бы на некоторое расстояние. Смещение было бы тем больше, чем медленнее двигались бы атомы и чем быстрее вращался бы прибор.
Зная число оборотов прибора в секунду, расстояние от щели до экрана и смещение изображения, можно вычислить скорость движения атомов.
Когда подобный опыт был произведен, то оказалось, что изображение щели не просто смещается, как только что описано, но одновременно со смещением размазывается (рис. 13).
Рис. 13. Изображение щели на экране приборчика.
Причина этого ясна. Отдельные атомы движутся с разными скоростями. В пучке летящих атомов есть движущиеся быстро, есть и движущиеся медленно. Первые попадут на экран, сместившись немного, вторые — значительно. В результате вместо резкого изображения на экране появится размытая полоска. Присмотревшись к ней, мы заметим, что окраска полоски не одинакова. Ясно выступает более темная часть, на которую упало, очевидно, большее количество атомов. Все эти атомы двигались со скоростями, близкими друг к другу. Если какой-либо участок полоски в два раза темнее, чем другой, то это означает, что на него упало в два раза больше атомов, чем на тот, который светлее. А так как каждому участку полоски соответствует определенная скорость движения атомов, то, разделив полоску на отдельные участки и сравнивая их потемнение, ученые проверили, как распределяются скорости атомов.
Эти опыты полностью подтвердили правильность атомного учения.
Мы уверены теперь в том, что большая часть атомов или молекул движется со скоростями, не очень сильно, отличающимися от средней скорости.
Но от чего же зависит сама средняя скорость? Можно ли ее изменить: увеличить или уменьшить?