Чи можна зважити молекулу

У цій статті ми хочемо вас познайомити з одним із способів визначення маси молекул. Відомо, що атмосфера Землі складається з різних газів – азоту, кисню, водню, вуглекислого газу та інших. Висота атмосфери велика; встановлено, що вона простягається до 2000 км від поверхні Землі, але основна маса газу зосереджена внизу. У нижньому шарі атмосфери, висота якого всього 16 км, міститься 0,9 її маси.

Чому «осідають» молекули? Причина в тому, що на них діє сила тяжіння, спрямована до Землі. Але чому ж тоді повітря не «падає» на Землю і не утворює тонкий шар на її поверхні? Цьому перешкоджає безперервний безладний рух молекул повітря. Завдяки цьому руху молекули розлетілися б по всьому світовому простору, не будь сили тяжіння, яка тягне їх вниз.

Значить, висота атмосфери, її середня щільність, розподіл молекул по висоті залежать від мас молекул газів, що входять до складу атмосфери — адже чим більше маса молекули, тим більше діюча на неї сила тяжіння. Наприклад, якби атмосфера складалася тільки з кисню, то на висоті 5 км її щільність була б в два рази менше, ніж у поверхні Землі, а якби вона складалася тільки з водню, то це сталося б на висоті 80 км.

Звичайно, розподіл молекул залежить і від температури, так як з температурою пов’язана швидкість руху молекул. Як ви думаєте, як змінилися б наведені вище числа, якби Земля стала рухатися по орбіті, ближчій до Сонця (наприклад, «помінялася місцями» з Венерою)? А якби Земля віддалилася від Сонця («помінялася місцями» з Марсом)?

Але яке відношення має наша розповідь про атмосферу до визначення мас молекул? Справа в тому, що французький вчений Жан Перрен створив як би маленьку подобу земної атмосфери, в якій роль молекул грали частинки, хоча і надзвичайно малі, але все ж такі, що їх можна було побачити в мікроскоп і визначити їх розміри і маси.

Для цього перемішали з водою смолу так, що утворилася суміш, що містить окремі мікроскопічні крапельки смоли. Таку суміш називають емульсією (наприклад, вершки в молоці, поки вони не відстояться, утворюють емульсію).

Ще до того, як був поставлений цей дослід, вчені припускали, що краплі смоли у воді будуть вести себе так само, як молекули в атмосфері. Досліди, які Перрен почав в 1908 році, підтвердили це припущення.

Крапельки смоли мали форму кульок, їх діаметр був виміряний і виявився (в одному з серії дослідів) рівним 0,00005 см. Як бачите, діаметр їх дуже малий, але все ж набагато більше діаметра молекул (нагадаємо, що діаметр молекул має величину близько 10^-8 см).

Чудова та точність і сумлінність, з якою проводилися ці досліди. Краплі різного розміру безліч разів відокремлювали одну від одної, щоб отримати однорідні емульсії. Проводили кілька серій вимірювань, використовуючи і «великі» краплі – діаметром в 5 десятитисячних часток міліметра, і дрібні — діаметром в 14 стотисячних його часток.

Розміри крапель визначали різними способами, наприклад способом рядів. Вимірявши довжину ряду, порахувавши число крапель в ньому і знаючи, з яким збільшенням зроблена фотографія, визначали середній діаметр краплі. Відомо, що такі вимірювання дають більш точні результати, ніж вимірювання однієї частинки.

Коли утворилася емульсія, крапельки стали осідати на дно судини і осідали довго — кілька місяців, поки не настала рівновага. Чи всі вони розташувалися біля самого дна? Ні, вийшла картина, що нагадує атмосферу Землі: у самого дна число крапельок було найбільшим, а потім воно поступово спадало з висотою. Причина такого розподілу крапельок в шарах емульсії та ж, що і для молекул повітря в атмосфері. Різниця лише в тому, що краплі смоли рухаються не самі, їх з усіх боків безладно штовхають молекули навколишньої води.

Весь шар емульсії, вся ця маленька атмосфера мала товщину 0,01 см., щоб підрахувати число крапельок в різних шарах, поступили наступним чином. Емульсію помістили під мікроскоп. Спочатку мікроскоп сфокусували так, щоб різко було видно самий нижній шар (товщиною приблизно 0,0001 см), і перерахували число крапельок смоли в ньому. Потім мікроскоп сфокусували на наступний шар і т.д. Рахувати краплі було нелегко, вони весь час переміщалися, число їх було величезне (десятки тисяч штук). В одному з дослідів Перрен перерахував 13 000 крапель на чотирьох рівнях.

У дослідах Перрена було твердо встановлено, що крапельки смоли в емульсії розподіляються під дією сили тяжіння точно за таким же законом, як і молекули в атмосфері Землі. Досліди виконали багато разів, в різних варіантах: міняли смолу, додавали у воду гліцерин, і результати досліду залишалися колишніми. Отже, ми можемо з повним правом порівняти розподіл крапель смоли в емульсії з розподілом молекул в атмосфері і таким чином визначити маси молекул газів, що містяться в повітрі.

Автор: Н. А. Родина.