Элементы

Из чего построен окружающий нас мир? Первые дошедшие до нас ответы на этот вопрос родились в Древней Греции более 25 веков тому назад.

Ответы кажутся на первый взгляд донельзя странными, и мы должны были бы потратить много бумаги, чтобы объяснить читателю логику древних мудрецов - Фалеса, утверждавшего, что все состоит из воды, Анаксимена, говорившего, что мир построен из воздуха,; или Гераклита, по мнению которого все состоит из огня.

Несообразность подобных объяснений заставила более поздних греческих "любителей мудрости" (так переводится слово "философ") увеличить число первооснов или, как их называли в древнем мире, элементов. Эмпедокл утверждал, что элементов четыре: земля,; вода, воздух и огонь. В это учение внес окончательные (на очень долгое время) поправки Аристотель.

Согласно Аристотелю, все тела состоят из одного и того же вещества, но это вещество может принимать различные свойства. Этих невещественных элементов-свойств четыре: холод, тепло, влажность и сухость. Соединяясь по два и будучи приданы веществу, элементы-свойства Аристотеля образуют элементы Эмпедокла. Так, сухое и холодное вещество дает землю, сухое и горячее - огонь, влажное и холодное - воду и, наконец, влажное и горячее - воздух.

Впрочем, ввиду трудности ответа на ряд вопросов философы древности добавили к четырем элементам-свойствам еще "божественную квинтэссенцию". Это что-то вроде бога-повара, готовящего одно блюдо из разнородных элементов-свойств. Ссылкой на бога, разумеется, нетрудно дать разъяснение любому недоумению.

Впрочем, очень долгое время - почти вплоть до XVIII века - мало кто отваживался недоумевать и задавать вопросы. Учение Аристотеля было признано церковью, и сомнение в его справедливости было ересью.

И все же сомнения эти возникали. Породила их алхимия.

В далекие времена, в глубь которых мы можем заглянуть, читая древние рукописи, человек знал, что все окружающие нас тела способны превращаться в другие. Горение, обжиг руды, сплавление металлов - все эти явления были хорошо известны.

Это, казалось бы, не противоречило учению Аристотеля. При любом превращении менялась, так сказать, "дозировка" элементов. Если весь мир состоит всего лишь из четырех элементов, то возможности превращения тел должны быть очень велики. Нужно найти лишь секрет, как сделать, чтобы из любого тела можно было получать любое другое.

До чего заманчива задача сделать золото, или найти особый, необыкновенный "философский камень", дающий его обладателю богатство, власть, вечную молодость. Науку об изготовлении золота, философского камня, о превращении любого тела в любое другое древние арабы назвали алхимией.

Столетиями продолжалась работа людей, посвятивших себя решению этой задачи. Алхимики не научились делать золото, не нашли философского камня, но зато собрали много ценных фактов о превращении тел. Эти факты послужили в конце концов смертным приговором для алхимии. В XVII веке многим стало ясно, что число основных веществ - элементов несравненно больше четырех. Ртуть, свинец, сера, золото, сурьма оказались неразлагаемыми веществами, уже нельзя было говорить, что эти вещества построены из элементов. Пришлось, напротив, причислить их к элементам мира.

В 1668 г. в Англии вышла в свет книга Роберта Бойля "Скептический химик, или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков". Здесь мы находим совершенно новое определение элемента. Это уже не неуловимый, таинственный невещественный элемент алхимиков. Теперь элемент - это вещество, составная часть тела.

Это укладывается в современное определение понятия элемента.

Список элементов Бойля был невелик. К правильному списку Бойль присоединил еще и огонь. Впрочем, идеи об элементах-свойствах жили и после него. Даже в списке великого француза Лавуазье (1743-1794), которого считают основателем химии, наряду с действительными элементами фигурируют и невесомые элементы: теплотвор и световое вещество.

В первой половине XVIII века было известно 15 элементов, а к концу века число их возросло до 35. Правда, лишь 23 из них - действительные элементы, остальные же - или несуществующие элементы, или вещества, как едкие натр и калий, которые оказались сложными.

К середине XIX века в химических руководствах описывалось уже свыше 50 неразложимых веществ.

Толчком для сознательных поисков неоткрытых элементов явился периодический закон великого русского химика Менделеева. Здесь еще рано говорить об этом законе. Скажем лишь, что своим законом Менделеев установил, как надо искать еще не открытые элементы.

К началу XX века были открыты почти все встречающиеся в природе элементы.

Атомы и молекулы

Около 2000 лет назад в Древнем Риме была написана оригинальная поэма. Ее автором был римский поэт Лукреций Кар. "О природе вещей" - так называлась поэма Лукреция. Звучными стихами рассказал Лукреций в своем поэтическом произведении о взглядах древнегреческого философа Демокрита на мир.

Что это были за взгляды? Это было учение о мельчайших, невидимых частичках, из которых построен весь наш мир. Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение.

Вот, например, вода. При сильном нагревании она превращается в невидимый пар и улетучивается. Как это можно объяснить? Ясно, что такое свойство воды связано с ее внутренним строением.

Или почему, например, мы ощущаем запахи цветов на расстоянии?

Размышляя над подобными вопросами, Демокрит пришел к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными, на самом же деле они состоят из мельчайших частиц. У различных тел эти частицы различны по форме, но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Поэтому-то любое тело и кажется нам сплошным.

Демокрит назвал такие мельчайшие, неделимые далее частички, из которых состоят вода и все другие тела, "атомами", что по-гречески означает "неделимые".

Замечательная догадка древнегреческих мыслителей, родившаяся 24 века назад, позднее была надолго забыта. Более тысячи лет в ученом мире безраздельно господствовало ошибочное учение Аристотеля. Утверждая, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, Аристотель категорически отрицал существование атомов. Любое тело можно делить до бесконечности - учил Аристотель.

В 1647 г. француз Пьер Гассенди издал книгу, в которой смело отрицал учение Аристотеля и утверждал, что все вещества в мире состоят из неделимых частичек - атомов. Атомы отличаются друг от друга формой, размерами и массой.

Соглашаясь с учением древних атомистов, Гассенди развил это учение дальше. Он объяснил, каким именно образом могут возникать и возникают в мире миллионы разнообразных тел природы. Для этого, утверждал он, не нужно большого числа различных атомов. Ведь атом - это все равно что строительный материал для домов. Из трех различных видов стройматериалов - кирпичей, досок и бревен - можно построить огромное число самых разнообразных домов. Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы; эти группы Гассенди назвал "молекулами", т. е. "массочками" (от латинского слова "молес" - масса).

Молекулы различных тел отличаются одна от другой числом и видом ("сортом") входящих в них атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных комбинаций - молекул. Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел.

Однако еще многое во взглядах Гассенди было ошибочно. Так, он считал, что имеются особые атомы для тепла, холода, вкуса и запаха. Как и другие ученые того времени, он не мог полностью освободиться от влияния Аристотеля, признавал его невещественные элементы.

В сочинениях М. В. Ломоносова - великого просветителя и основателя науки в России - содержатся следующие мысли, получившие подтверждение на опыте много позднее.

Ломоносов пишет, что молекула может быть однородной и разнородной. В первом случае в молекуле группируются однородные атомы. Во втором - молекула состоит из атомов, отличных один от другого. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то его надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов" Ломоносов называет его смешанным.

Теперь мы хорошо знаем, что различные тела природы имеют именно такое строение. В самом деле" возьмем, например, газ кислород; в каждой его молекуле содержится по два одинаковых атома кислорода. Это молекула простого вещества. Если же атомы, составляющие молекулы, различны,- это уже "смешанное", сложное химическое соединение. Молекулы его состоят из атомов тех химических элементов, которые входят в состав этого соединения.

Можно сказать и иначе: каждое простое вещество построено из атомов одного химического элемента; сложное вещество включает в себя атомы двух и более элементов.

Ряд мыслителей говорили об атомах, приводя логические доводы в пользу их существования. По-настоящему ввел атомы в науку и сделал их предметом исследования английский ученый Дальтон. Дальтон показал, что существуют химические закономерности, которые можно объяснить лишь используя представления об атомах.

"После Дальтона атомы прочно вошли в науку. Однако еще очень долго находились ученые, которые "не верили в атомы". Один из них писал в самом конце прошлого века, что через несколько десятилетии атомы "удастся разыскать лишь в пыли библиотек".

Сейчас подобные суждения кажутся смешными. Мы знаем сейчас так много подробностей о "жизни" атома, что сомневаться в его существовании - все равно, что подвергать сомнению реальность Черного моря.

Относительные массы атомов определили химики. Сначала за единицу была принята масса атома водорода. Относительная атомная масса азота оказалась равной примерно 14, кислорода - примерно 16, хлора - примерно 35,5. Впоследствии был сделан несколько иной выбор единицы - число 16,0000 приписывалось природному кислороду. Атомная масса водорода оказалась равной в этой шкале 1,008.

В настоящее время решено взять за основу не кислород и не водород, а изотоп углерода 12С. Измерив массу этого атома способом, кратко описанным в первой книге при изложении системы СИ, делим на двенадцать. Полученное число называется атомной единицей массы. Число, пользующееся сегодня наибольшим доверием, таково:

Теперь мы можем обратиться к воображению читателя и дать ему возможность почувствовать малость этой цифры. Представьте себе, что у каждого человека на земном шаре вы потребуете по миллиарду молекул. Сколько же вещества соберется таким образом? Несколько миллиардных долей грамма.

Или еще такое сравнение: земной шар во столько раз тяжелее яблока, во сколько раз яблоко тяжелее атома водорода.

Обратная величина от m_A называется числом Авогадро:

Это огромное число имеет следующий смысл. Возьмем вещество в таком количестве, чтобы число граммов равнялось относительной массе атома или молекулы М. Такое количество химики давно назвали грамм-атомом или грамм-молекулой (часто для краткости говорят: моль). Хотя m_А в системе СИ относится к атому углёрода ¹²С, практически N_A любых атомов или молекул имеют массу, равную относительной массе атома или молекулы, выраженной в граммах.

С введением "моля" в качестве независимой единицы число Авогадро перестало быть отвлеченным числом. В единицах СИ оно имеет размерность моль^-1.

Что такое теплота

Чем отличается горячее тело от холодного? На этот вопрос до начала XIX века отвечали так: горячее тело содержит больше теплорода (или теплотвора), чем холодное. Совершенно так же, как суп более соленый, если содержит больше соли. А что такое теплород? На это следовал ответ: "Теплород - это тепловая материя, это элементарный огонь". Таинственно и непонятно. А по сути дела, это ответ такой же, как объяснение, что такое веревка: "Веревка - это вервие простое".

Наряду с теорией теплорода уже давно существовал другой взгляд на природу теплоты. Его отстаивали с большим блеском многие выдающиеся ученые XVI - XVIII столетий.

Фрэнсис Бэкон в своей книге "Новый органон" писал: "Сама теплота в своей сущности есть не что иное, как движение... Теплота состоит в переменном движении мельчайших частей тела".

Роберт Гук в книге "Микрография" утверждал: "Теплота есть непрерывное движение частей тела... Нет такого тела, частички которого были бы в покое".

Особенно отчетливые высказывания такого же рода мы находим у Ломоносова (1745 г.) в его работе "Размышления о причине тепла и холода". В этом сочинении отрицается существование теплорода и говорится, что "теплота состоит во внутреннем движении частичек материи".

Очень образно говорил Румфорд в конце XVIII века: "Тело тем горячее, чем интенсивнее движутся частички, из которых оно построено, подобно тому как колокол звучит тем громче, чем сильнее он колеблется".

В этих замечательных догадках, намного опередивших свое время, кроются основы наших современных взглядов на природу тепла.

Бывают иногда тихие, спокойные, ясные дни. Листочки на деревьях замерли, даже легкая рябь не возмутит водяной глади. Все окружающее застыло в строгой торжественной неподвижности. Покоится видимый мир. Но что при этом происходит в мире атомов и молекул?

Физика наших дней может много рассказать об этом. Никогда, ни при каких условиях не прекращается невидимое движение частичек, из которых построен мир.

Почему же мы не видим всех этих движений? Частицы движутся, а тело покоится. Как это может быть?..

Не приходилось ли вам когда-либо наблюдать рой мошек? В безветренную погоду рой как бы висит в воздухе. А внутри роя идет интенсивная жизнь. Сотня насекомых метнулась вправо, но в этот же момент столько же метнулось влево. Весь рой остался на том же месте и не изменил своей формы.

Невидимые движения атомов и молекул носят такой же хаотический, беспорядочный характер. Если какие-то молекулы ушли из объема, то их место заняли другие. А так как новые пришельцы ничуть не отличаются от ушедших молекул, то тело остается все тем же. Беспорядочное, хаотическое движение частиц не меняет свойств видимого мира.

Однако не пустой ли это разговор, может спросить нас читатель. Чем эти, пусть красивые, рассуждения доказательнее теории теплорода? Разве кто-нибудь видел вечное тепловое движение частичек вещества?

Тепловое движение частичек можно увидеть, и притом при помощи самого скромного микроскопа. Первым наблюдал это явление еще более ста лет назад английский ботаник Броун.

Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Ботаник заинтересовался, какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Ученый решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно неживые, частички не находились в покое, они были охвачены непрерывным хаотическим движением. Чем меньше частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник эту каплю воды, но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Их будто постоянно толкали какие-то невидимые силы.

Броуновское движение частиц - это и есть тепло вое движение. Тепловое движение присуще большим и малым частичкам, сгусткам молекул, отдельным молекулам и атомам.

Энергия сохраняется всегда

Итак, мир построен из движущихся атомов. Атомы обладают массой, движущийся атом обладает кинетической энергией. Конечно, масса атома невообразимо мала, поэтому и энергия его будет крошечной, но ведь атомов миллиарды миллиардов.

Теперь напомним читателю, что хотя мы говорили о законе сохранения энергии, но это не был достаточно универсальный закон сохранения. Импульс и момент сохранялись в опыте, а энергия сохранялась только в идеале - при отсутствии трения. На самом же деле энергия всегда уменьшалась.

Но раньше мы ничего не говорили об энергии атомов. Возникает естественная мысль: там, где на первый взгляд мы отмечали уменьшение энергии, на самом деле незаметным для глаза способом энергия передавалась атомам тела.

Атомы подчиняются законам механики. Правда (это вам придется узнать из другой книги), их механика несколько своеобразна, но это дела не меняет - в отношении закона сохранения механической энергии атомы ничуть не отличаются от больших тел.

Значит, полное сохранение энергии обнаружится лишь тогда, когда наряду с механической энергией тела будет учтена внутренняя энергия этого тела и окружающей среды. Только в этом случае закон будет универсальным.

Из чего же складывается полная энергия тела? Первую ее составляющую мы, по сути дела, уже назвали - это сумма кинетических энергий всех атомов. Но не надо забывать и про то, что атомы взаимодействуют один с другим. Таким образом, добавляется еще потенциальная энергия этого взаимодействия. Итак, полная энергия тела равняется сумме кинетических энергий его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

Нетрудно понять, что механическая энергия тела как целого есть только часть полной энергии. Ведь когда тело покоится, молекулы его не останавливаются и не перестают взаимодействовать одна с другой. Энергия теплового движения частиц, которая остается у покоящегося тела, и энергия взаимодействия частиц составляют внутреннюю энергию тела. Поэтому полная энергия тела равняется сумме механической и внутренней.

В механическую энергию тела как целого входит также энергия тяготения, т. е. потенциальная энергия взаимодействия частиц тела с земным шаром.

Рассматривая внутреннюю энергию, мы уже не обнаружим пропажи энергии. Когда мы рассматриваем природу через стекла, увеличивающие мир в миллионы раз, картина представляется нам на редкость гармоничной. Нет никаких потерь механической энергии, а есть лишь превращение ее во внутреннюю энергию тела или среды. Пропала работа? Нет! Энергия ушла на убыстрение относительного движения молекул или изменение их взаимного расположения.

Молекулы послушны закону сохранения механической энергии. В мире молекул нет сил трения; мир молекул управляется переходами потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Лишь в грубом мире больших вещей, не замечающем молекул, "энергия пропадает".

Если в каком-либо явлении механическая энергия пропадает вся или частично, то на такую же величину возрастает внутренняя энергия тел и среды, участвующих в этом явлении. Иначе говоря, механическая энергия переходит без каких бы то ни было потерь в энергию молекул или атомов.

Закон сохранения энергии - это строжайший бухгалтер физики. В любом явлении приход и расход должны точно сойтись. Если этого не произошло в каком-либо опыте, то, значит, что-то важное ускользнуло от нашего внимания. Закон сохранения энергии в таком случае сигнализирует: исследователь, повторить опыт, увеличить точность измерений, искать причину потерь! На таком пути физики неоднократно делали новые важные открытия и еще раз убеждались в строжайшей справедливости этого замечательного закона.

Калория

У нас уже есть две единицы энергии - джоуль и килограмм-сила-метр. Казалось бы, достаточно. Однако при изучении тепловых явлений по традиции пользуются еще и третьей единицей - калорией.

Позже мы увидим, что и калория не исчерпывает список принятых для обозначения энергии единиц.

Возможно, в каждом отдельном случае употребление "своей" единицы энергии удобно и целесообразно. Но в любом мало-мальски сложном примере, связанном с переходом энергии из одного вида в другой, возникает невообразимая путаница с единицами.

Новая система единиц (СИ) предусматривает одну единицу для работы, энергии и количества, тепла - джоуль. Однако, учитывая силу традиций и тот срок, который понадобится, чтобы система стала общеупотребительной и единственной системой единиц, полезно познакомиться поближе с "уходящей" единицей количества теплоты - калорией.

Малая калория (кал) - это количество энергии, которое надо сообщить 1 г воды, чтобы нагреть его на 1 градус.

Слово "малая" надо упомянуть потому, что иногда используют "большую" калорию, которая в тысячу раз больше выбранной единицы (большая калория обозначается ккал, что значит "килокалория").

Соотношение между калорией и механическими единицами работы находят, нагревая воду механическим путем. Подобные опыты ставились неоднократно. Можно, например, повысить температуру воды энергичным перемешиванием. Затраченная для нагрева воды механическая работа оценивается достаточно точно. Из каких измерений было найдено:

1 кал = 0,427 кгс*м = 4,18 Дж.

Поскольку единицы энергии и работы общие, то в калориях можно измерять и работу. На подъем килограммовой гири на метровую высоту надо затратить 2,35 калории. Звучит это необычно, да и сопоставлять подъем груза с нагреванием воды неудобно. Поэтому в механике и не пользуются калориями.

Немного истории

Закон сохранения энергии мог быть сформулирован лишь тогда, когда достаточно отчетливыми стали представления о механической природе теплоты и когда техника поставила практически важный вопрос об эквиваленте между теплом и работой.

Первый опыт для установления количественного соотношения между теплом и работой был проделан известным физиком Румфордом (1753-1814). Он работал на заводе, где изготовляли пушки. Когда сверлят дуло орудия, выделяется тепло. Как оценить его? Что принять за меру тепла? Румфорду пришло в голову работу, производимую при сверлении, поставить в связь с нагреванием того или иного количества воды на то или иное число градусов. В этом исследовании, пожалуй, впервые четко выражена мысль, что тепло и работа должны иметь общую меру.

Следующим шагом к открытию закона сохранения энергии было установление важного факта: исчезновение работы сопровождается появлением пропорционального количества теплоты, этим и была найдена общая мера теплоты и работы.

Первоначальное определение так называемому механическому эквиваленту теплоты дал французский физик Сади Карно. Этот выдающийся человек скончался в возрасте 36 лет в 1832 г. и оставил после себя рукопись, которая была опубликована лишь через 50 лет. Сделанное Карно открытие осталось неизвестным и не повлияло на развитие науки. В этой работе Карно вычислил, что подъем 1 м³ воды на высоту 1 м³ требует такой же энергии, какая нужна для нагревания 1 кг воды на 2,7 градуса (правильная цифра 2,3 градуса).

В 1842 г. публикует свою первую работу гейльброннский врач д-р Юлиус Роберт Майер. Хотя Майер называет знакомые нам физические понятия совсем по-другому, все же внимательное чтение его работы приводит к выводу, что в ней изложены существенные черты закона сохранения энергии. Майер различает внутреннюю энергию ("тепловую"), потенциальную энергию тяготения и энергию движения тела. Он пытается из чисто умозрительных заключений вывести обязательность сохранения энергии при различных превращениях. Для того чтобы проверить это утверждение на опыте, надо иметь общую меру для измерения этих энергий. Майер вычисляет, что нагревание 1 кг воды на 1 градус равноценно поднятию 1 кг на 365 м.

Во второй своей работе, опубликованной три года спустя, Майер отмечает универсальность закона сохранения энергии - возможность применения его к вопросам химии, биологии и космическим явлениям. К различным формам энергии Майер добавляет магнитную, электрическую и химическую.

Большая заслуга в открытии закона сохранения энергии принадлежит замечательному английскому физику (пивовару из Сальфорда в Англии) Джемсу Прескотту Джоулю, работавшему независимо от Майера.

Если для Майера характерна некоторая склонность к неопределенной философии, то основной чертой Джоуля является строгий экспериментальный подход к рассматриваемым явлениям. Джоуль задает природе вопрос и получает на него ответ путем исключительно тщательно поставленных специальных опытов. Нет сомнения, что во всей серии опытов, которые ставил Джоуль, он руководился одной идеей - найти общую меру оценки тепловых, химических, электрических и механических действий, показать, что во всех этих явлениях сохраняется энергия. Джоуль сформулировал свою мысль так: "В природе не происходит уничтожения силы, производящей работу, без соответствующего действия".

Первая работа Джоуля докладывалась им 24 января 1843 г., а 21 августа того же года Джоуль доложил свои результаты по установлению общей меры тепла и работы. Нагревание 1 кг воды на 1 градус оказалось равноценным подъему 1 кг на 460 м.

В последующие годы Джоуль и ряд других исследователей затрачивают много труда для того, чтобы уточнить значение теплового эквивалента, а также стремятся доказать полную универсальность эквивалента. К концу сороковых годов становится ясно, что, каким бы способом ни переходила работа в тепло, всегда количество возникающей теплоты будет пропорционально количеству затраченной работы. Несмотря на то, что Джоуль опытно обосновал закон сохранения энергии, он не дал в своих работах отчетливой формулировки этого закона.

Эта заслуга принадлежит немецкому физику Гельмгольцу. 23 июля 1847 г. на заседании берлинского физического общества Герман Гельмгольц прочитал доклад о принципе сохранения энергии. В этой работе была впервые отчетливо изложена механическая основа закона сохранения энергии. Мир состоит из атомов, атомы обладают потенциальной и кинетической энергией. Сумма потенциальных и кинетических энергий частиц, из которых построено тело или система, не может измениться, если это тело или система не подвержены внешним воздействиям. Закон сохранения энергии, как мы его обрисовали несколькими страницами выше, был впервые сформулирован Гельмгольцем.

После работы Гельмгольца на долю других физиков осталась лишь проверка и приложение принципа сохранения энергии. Успех всех этих исследований привел к тому, что к концу пятидесятых годов закон сохранения энергии был уже общепризнан как фундаментальный закон естествознания.

В XX веке наблюдались явления, ставившие под сомнение закон сохранения энергии. Однако в дальнейшем видимые расхождения нашли свое объяснение. Закон сохранения энергии до сих пор всегда с честью выходил из испытаний.