Порядок и беспорядок в мире атомов

Физика | Эта статья также находится в списках: , | Постоянная ссылка

Аккуратность — немалая добродетель. У хорошей хозяйки в бельевом шкафу вещи разложены по полочкам в строгом порядке: на одних полках рубахи, на других простыни—и в буфете посуда расставлена так, что глубокие тарелки находятся в одной стопке, мелкие — в другой. Естественно желание навести аналогичный порядок и в хозяйстве науки — «разложить по полкам», сгруппировать по каким-то характерным признакам отдельные явления, тела, законы природы.

Такое группирование называется классификацией и часто приносит большую пользу науке, выявляя родственные черты различных явлений. Однако во всякой классификации заложено противоречие. Попробуйте, например, разбить людей по росту на три группы: высоких, средних и маленьких.

Кого вы будете считать высоким? Ну, скажем, человека, рост которого больше 180 см. Придется тогда двух фактически одинаково высоких людей — одного с ростом 179,9 см, а другого с ростом 180,1 см «разнести» в разные группы. С примером такого противоречия мы встречаемся в попытке разбить все окружающие нас тела на газообразные, жидкие и твердые. Вода— жидкость, а что такое смола, которой нагреванием можно придать любую степень вязкости?

Ведь смолу можно непрерывно переводить из такого жидкого состояния, как вода, в такое твердое состояние, как дерево. Но, может быть, неверно выбран признак классификации? Мы пытались разбить тела на группы по их свойству — твердости. Попробуем положить в основу не свойство, а строение тела.

На первый взгляд дело обстоит просто: прежде всего мы разбиваем тела на две группы. В одних телах атомы и молекулы уложены в строгом порядке — это кристаллические вещества, а другие построены из беспорядочно расположенных частиц. Во вторую группу попадают жидкости и газы. Характер расположения частиц в этих двух состояниях имеет много общего; главное различие заключается в плотности.

Не удивительно, что всегда есть возможность непрерывным увеличением давления привести газ в такое плотное состояние, которое ничем не отличается от жидкости. Казалось бы, две группы тел отличаются друг от друга совершенно четко. Что общего между структурой кристалла, атомы которого заполняют пространство регулярным повторением, и строением капли воды, молекулы которой собраны в тесную, но беспорядочную кучу. Действительно, разница между порядком и беспорядком в расположении частиц велика.

Однако внимательное изучение природы показывает, что в упорядоченном расположении, как правило, присутствуют элементы беспорядка, что в беспорядочном расположении существуют элементы порядка и что существует множество тел, построенных таким образом, что их с одинаковым успехом можно отнести на «полки» как порядка, так и беспорядка. Молекулы кристалла плотно уложены рядами, ряды уложены в слои, слои строят кристалл. Однако мы видим, сколь далека от совершенства упаковка молекул: в постройке много дефектов разного рода — тут и искривление рядов, и маленькие пустоты.

В природе встречаются кристаллы лучше (в мире драгоценных камней), но большая часть кристаллов еще «хуже» по порядку в расположении частиц, чем тот кристалл, который показан на фотографии. Нетрудно представить себе, что при возрастании числа дефектов сходство с парковой решеткой и обоями будет постепенно теряться, а проблема различения кристалла и жидкости перестанет быть само собой разумеющейся. Мы пояснили, в чем заключаются элементы беспорядка в порядке кристаллического тела, а теперь надо сказать, в чем состоит упорядоченность жидкости.

Упорядоченность молекул в жидкости является следствием тесноты их расположения. Каждая молекула будет окружена максимальным числом соседей. Это число равно 12 для молекул, форма которых более или менее близка к сферической.

Для длинных молекул (в форме палочки) число ближайших соседей будет равно 6, как в пачке карандашей. Однако элементы порядка проявляются не только в числе ближайших соседей, но и во взаимной ориентации молекул. Из-за тесноты молекулы будут стремиться расположиться так, чтобы выступающие части одних пришлись на «впадины» других. В результате окажется, что все молекулы очень похожим образом окружены своими соседями — в этом и заключаются элементы порядка в беспорядке. Для многих вязких жидкостей этот вид порядка может быть выражен очень отчетливо (его называют ближним порядком).

В кристаллах существует дальний порядок, который заключается в регулярном повторении частиц. В природе существуют и такие тела, которые никак нельзя отнести ни к жидкостям, ни к кристаллам. В некоторых отношениях эти тела строго упорядочены, а в других отношениях обнаруживают полную хаотичность в расположении молекул.

К их числу относятся жидкие кристаллы и газокристаллы. Представьте себе выстроившийся по команде «смирно» полк солдат. Они стоят на одинаковых расстояниях друг от друга, правильными рядами. Кроме того, все они повернулись одинаково и смотрят в одну сторону.

Такой строй можно сравнить со строем молекул в хорошем кристалле. Теперь допустим, что, сохраняя те же места, солдаты повернулись в разные стороны и смотрят «кто куда». До известной степени строй сохранил порядок: по-прежнему одинаковы расстояния между соседями, по-прежнему отчетливо видны аккуратные ряды.

В этом отношении порядок сохранился. Однако теперь сравнение с хорошим кристаллом отпадает. Но, оказывается, такой «вольный строй» имеет своих представителей и в мире твердых веществ.

В ряде кристаллов молекулы образуют правильную решетку своими центрами или осями, но ориентации молекул беспорядочны. Ярким примером такого строения могут служить частицы мыла. Молекулы мыла — длинные палочки. В твердом теле они располагаются слоями, каждый слой состоит из параллельных молекул, образуя подобие пачки карандашей.

Когда мыло растворяют в воде, вода проникает между слоями, а слои продолжают свое существование и в растворе, но только не в виде выровненного строя, а в виде только что описанного вольного строя. Когда мы моем руки, слои палочковых молекул легко скользят друг по другу, захватывая своими цепкими концами частицы грязи. Поэтому-то мыло и моет.

 

Физика | Эта статья также находится в списках: , | Постоянная ссылка
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника