Как измерить молекулу?

57

КАК ИЗМЕРИТЬ МОЛЕКУЛУ?
Н. А. РОДИНА

Наши основные знания о молекулах можно выразить очень простыми словами:

1. Все тела состоит из мелчайших частиц — atomов и молекул.
2. Atoms и молекулы находятся в состоянии непрерывного движения. Это движение является вечным, не прекращая ни при каких условиях.
3. Molекулы всех тел взаимодействуют друг с другом. В разных веществ они взаимодействуют по-разному, в зависимости от вида молекул и от расстояний между ними.
   Эти три положения называют основными положениями молекулярно-kinетической теории.
   В науке, пожалуй, мало найдется таких областей знания, которые имеют быстрый и столь плодотворную историю развития, как знания о молекулах. Упоминание о мелчайших частиц вещества имеется в рукописах, относящихся к XII века до нашей эры. Значит, уже в течение 32-х веков, то есть 3200 лет, создавются эти знания! Многие великие учены вложили свой труд в создание молекулярно-kinетической теории. В науке строение молекул и их поведение изучены достаточно полно для того, чтобы даже перестраивать молекулы, создавать вещества с заранее заданным свойством. Созданы искусственные рубины, каучук, пластмассы, лекарства и витамины. Вы, наверное, читали о том, с каким трудом добавились раныше эти вещества в естественном виде: рубины добавали из-под земли, каучук — из сока тропических деревьев, пластмассы не знали совсем.

Итак, молекулы изучены хорошо, и их продолжают изучать и в нашей время. Более того, основные направления развития современной физики связаны с применением знаний о строении вещества. Это нужно иметь в виду тому, кто собирается в будущеем заниматься физикой.

Наш расссказ о молекулах будет посвящен определению размеров молекул.

Можно ли вообразить себе, насколько мы эти размеры? Можно ли, например, показать при помощи пальцев хотя бы расстояние между молекулами воздуха, которое примерно в 10 раз больше диаметра самой молекулы?

Размеры молекул были определены во многих опитах. Описем один из них; этот опит проверил около 60-ти лет назад английский ученый Роберт Рэлей.

В чисто вымытый большой сосуд наличии воды и на поверхности ее помещили каплю оливкового масла. Капля растекалась по поверхности воды и образовала круглую пленку. Постепенно плошадь пленки увеличивалась, но затем растекание прекратилась, и плошадь перестала изменяться. Рэлей предложил, что молекулы расположились в один ряд, то есть только пленки стала равна как размеру одной молекулы,

58

и решил определить эту толщину.
При этом, конечно, нужно учесть, что объем пленки равен объему капли.

По тем данным, которые были получены в опыте Рэлея, расчитаем толщину пленки и узнаем, чем равен линейный размер молекулы масла. Капля имела объем 0,0009 $cm^3$, а площадь образованшейся из нее пленки была равна 5500 $cm^2$. Отсюда толщина пленки
$$d = \frac{V}{S} = \frac{0,0009}{5500} cm = 0,00000016 cm.$$

В опыте Рэлея объем капли был определен по ее массе и плотности масла. Масса капли была равна 0,0008 $e$, плотность масла 0,9 $e/cm^3$. Подсчитайте по этим данным объем капли.

Многочисленные опыты показали, что молекуры разных веществ отличаются по размерам. Но когда хотят оценить диаметр молекул (если при-

нять, что они имеют форму шариков), берет величины 0,0000001 $cm^*$).

Можно ли представить себе частицу, имеющую также размеры?

Посмотрите на фотографию головки объIkновенной комнатной мухи, сделанную при сильном увеличинии (рис. 1). По бокам головки вы видите глаза мухи, они состоит из отдельных элементов, так называемых фасеток. На фотографии каждой фасетки имеет диаметр примерно 1 мм. А теперь посмотрите на рисунок, где муxa изображена в натуральную величины. Весь глаз мухи имеет диаметр, меньший миллиметра.

*) Вы уже, наверное, заметили, какими длиными числами записьюются размеры молекул. Более кратко данное число можно записать так: $10^{-8}$ $cm$. Как перейти от одной записи к другой, вы поjmете, если сосчитаете, на каком месте после запятой стоит значая цифра в числе 0,0000001.

59

Теперь постраяйтесь представить себе размер каждой фасетки глазза. Так вот — молекула еще примерно в 100 000 раз меньше такой фасетки!

Конечно, такую частцу нельзя увидеть невооруженным глазом. Но может быть, ее можно увидеть в микросkopп? Каким для этого должно быть увеличение микросkopпа?

Капля воды диаметром в 0,5 см при увеличении в 2000 раз будет иметь размеры классной комнаты, но и тогда в ней нельзя будет различить отдельные молекулы. При увеличении еще в 2000 раз капля будет иметь в поперечине 20 км, и ее «зернистое» строение начинает вырисовываться перед нашими глазами. Но нужно увеличить ее еще в 250 раз, чтобы увидеть, наконец, строение молекулы воды, но … такое увеличение (в общей сложности в 10⁹ раз) получить нельзя.

В настоящее время при помощи специальных микросkopпов (электронных микросkopпов) получают фотографии, на которых можно различить отдельные молекулы, но только такие, которые имеют большие размеры по сравнению с молекулами воды.

На фотографии (рис. 2) вы видите молекулы белка, диаметр которых примерно в 100 раз больше, чем у воды. Зная, что фотография сделана при увеличении в 73 000 раз, попробуйте примерно оценить диаметр молекулы белка.

И, наконец, советуем вам самим продолжать опыт по определению размеров молекул масла. Конечно, повторить опит Рэлея трудно, так как для этого нужно иметь специальный сорт масла и сделать точные измерения. И все же попробуйте! Наградой вам будет создание, что вы определили величину, которая сравнима с размерами молекул.

Для опита удобно воспользоваться чистым машинным маслом. Сначала определите объем одной капли этого масла. Придумайте сами, как это сделать при помощи пипетки (ка-