Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Одно вещество или материал отличают от другого не только составляющие его атомы, но и характер связей между ними. Одна из самых ярких иллюстраций тому – самое известное и распространенное вещество на Земле: вода. Точно так же, как атомы являются мельчайшими составляющими различных химических элементов (как, например, серебро или золото), молекулы – строительные блоки более сложных объектов. Соедините несколько атомов, и вы получите молекулу. Если вы соедините два атома водорода с одним атомом кислорода, то получите молекулу воды (Н₂О). Если вы поместите несколько секстиллионов молекул воды на кончик своего пальца, то увидите на нем маленькую каплю. Переместите ее в холодильник – и вы получите микроскопическую льдинку. А если вы стряхнете и каплю, и льдинку в чайник и включите его, то получите маленькое облачко пара. Одни и те же атомы, одни и те же молекулы – но совершенно разные субстанции.

Почему? В льдинке молекулы располагаются в непосредственной близости друг от друга и связаны между собой прочнее, хотя и сохраняют определенное движение. В горячей воде расстояние между молекулами значительно больше, и они могут скользить одна по другой: потому-то вода и текуча. В паре молекулы расходятся на большое расстояние и быстро двигаются, как гоночные автомобили. Или так: кусочек льда благополучно лежит в стакане с газировкой и никуда не двигается. Опрокиньте ведро воды – и в вашей комнате образуется лужа, которая растечется от стены до стены. А пар, поднимающийся над кастрюлькой с кипящей водой, может быстро заполнить всю кухню. Налейте литр воды в пластиковую бутылку и заморозьте ее в холодильнике. Бутылка немного расширится (вода при замерзании увеличивается в объеме). Разморозьте бутылку, вылейте воду в кастрюльку и вскипятите ее. Пар от такого количества воды заполнит всю комнату. Дело в том, что пар занимает объем в 1600 раз больший, чем та же масса воды. Это всё, что вам нужно знать для того, чтобы понять, почему если оставить чайник кипящим всего лишь на несколько минут, то ваша кухня из-за пара будет выглядеть как прачечная. А теперь представьте, что тот же трюк можно проделать с обычным облаком. При этом образуется огромная масса холодной воды, которой будет достаточно для того, чтобы заполнить олимпийский плавательный бассейн[82].

Откуда мы знаем об атомах?

Если мы не можем видеть атомы, откуда мы знаем об их существовании? Как я могу убедить вас, что под полом вашего дома есть атомы, с большим успехом, чем я могу доказать вам, что на чердаке у вас скребется мышь? В чем атомная физика отличается от транса верующих, убежденных в том, что они могут обнять Господа? В отличие от религии, наука основана на доказательствах. И в том, что именно атомы становятся строительными кирпичиками нашего мира, нас убеждают многочисленные факты, которые человечество собирало на протяжении последних 2500 лет. В атомы верили даже древние греки. Само слово в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Оно было изобретено Демокритом – первым человеком, который населил наш мир этими «невидимыми и неделимыми» элементами. Это было замечательное достижение человеческого разума, особенно с учетом того, что в то время очевидных доказательств существования атома не было.

Сегодня такие доказательства получены четырьмя различными способами: химическим, электрическим, явлением радиоактивности и делением атома. Первый способ простой – химия. Если вы знаете, что два разных газа (например, водород и кислород) соединяются и образуют воду всегда в соотношении 2: 1 (2 атома водорода и 1 атом кислорода), то такое же соотношение можно установить и для других химических веществ и атомов, из которых они состоят. Скажем, если вы смешаете мягкий металл натрий с ядовитым газом хлором, то получите хлорид натрия, то есть пищевую соль, которую вы используете при приготовлении еды. В ней один атом натрия приходится на один атом хлора. Если пронаблюдать за сотнями химических реакций, как это сделал известный английский химик Джон Дальтон в 1803 году, то можно установить, что базовые химические элементы всегда находятся в их соединениях в простых соотношениях: один к одному, два к одному, три к одному и т. д. Если эти элементы расставить в систематическом порядке, то вы получите нечто вроде кухонных шкафчиков, в которых вещества организованы в периодическую таблицу. Это полный список химических элементов, которые мы имеем в своем распоряжении.