какие силы действуют между нейтральными атомами

Какие силы действуют между нейтральными атомами

3. Электромагнитные силы в электрически нейтральных телах

Основы строения атома сейчас стали азбучной истиной. В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра движутся электроны.

Атом мал и крайне пуст внутри, если не считать заполняющего его электрического поля. Гораздо более пуст, чем наша солнечная система, размеры которой в сотни раз превосходят размеры самого Солнца и в десятки тысяч раз размеры планет. Если бы атом внезапно вырос до размеров земной орбиты, то ядро оказалось бы в тысячу раз меньше Солнца. А ведь уменьшись наше Солнце в тысячу раз, мы видели бы на небе светящуюся точку вместо сверкающего диска.

Часто говорят и сейчас, а раньше были в этом твердо уверены, что электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, подобным орбитам планет солнечной системы. Ведь электростатические силы вполне аналогичны по своему характеру силам всемирного тяготения. Разница лишь в том, что сила взаимодействия «планет» атомной системы (электронов) друг с другом не очень значительно отличается от силы взаимодействия их с ядром, в то время как в солнечной системе только притяжение к Солнцу велико. Взаимодействие планет вносит малые поправки. Заряд самого тяжелого ядра не превышает заряда электрона более чем в 100 раз. Масса же Солнца в миллион раз больше массы планет. Наконец, электроны отталкивают друг друга, а планеты притягивают.

Но не в этом заключено то колоссальное различие, которое имеется в строении атома и солнечной системы.

Нераскрытая пока до конца тайна происхождения солнечной системы хранит в себе причины определенных размеров орбит планет солнечной системы. Мы легко можем допустить, что они могли бы быть иными. Да что говорить, ведь сейчас люди сами создают маленькие планеты, и их орбиты мы можем выбирать произвольно, придавая ракете определенную скорость.

Совершенно не то в атоме. Его свойства, а следовательно и строение, совершенно не зависят от происхождения. Все атомы данного химического элемента тождественны, независимо от того, существуют ли они с незапамятных времен или же возникли буквально на наших глазах путем захвата электронов только что изготовленным ядром. Заставить электрон двигаться в атоме так, как мы хотим, невозможно.

Все дело в том, что ядро строит атом посредством своего электрического поля не по правилам механики Ньютона, не по правилам электродинамики Максвелла. Построить атом, который бы жил по этим законам, вообще невозможно.

Электроны в атоме, разумеется, не могут двигаться по прямой. Они двигаются с ускорением и, следовательно, должны излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии, поэтому электроны неизбежно должны упасть на ядро, подобно тому как спутник, в верхних слоях атмосферы теряя энергию вследствие сопротивления воздуха, рано или поздно падает на Землю. Разница в том, что спутник может кружиться годами, а электрон, если следовать классической теории, не более миллионной доли секунды. Кратковременная вспышка света засвидетельствовала бы гибель атома. Электромагнитное поле классической физики должно было бы губить атом, хотя оно же и создает его. Совсем как Тарас Бульба своего сына: «Я тебя породил, я тебя и убью».

* ( Здесь нужно иметь в виду сходство картин только в среднем за время выдержки. Движение электрона никак нельзя отождествлять с порханием бабочки, равно как и с движением любого другого макроскопического тела.)

Электроны в атомах

Увеличение числа электронов в атоме и образование новых слоев, заполненных электронами, не сопровождается расширением атома. Увеличение положительного заряда атомного ядра вызывает сжатие внутренних оболочек. Таким образом, размеры всех атомов, определяемые радиусами внешних слоев, оказываются примерно одинаковыми, а внутренние электроны все теснее и теснее примыкают к ядру по мере увеличения его заряда.

Число внешних электронов меняется периодически по мере увеличения заряда ядра. После застройки одной оболочки начинается строительство новой, уже дальше от ядра. В этом ключ к разгадке физического смысла периодической системы элементов Менделеева. Ведь химические свойства атома определяются числом внешних, наименее связанных с ядром электронов.

Нетрудно понять, что чем меньше электронов содержит внешняя оболочка, тем слабее они связаны с ядром. Внутренние электроны вместе с ядром можно, грубо говоря, рассматривать как положительный ион. Если внешняя оболочка имеет лишь один электрон (типичные металлы: литий, натрий и др.), то он притягивается зарядом иона, равным единице в атомной системе единиц.

При двух электронах в наружном слое (бериллий, кальций и т. д.) каждый из них притягивается к центру с силой в два раза большей, ибо электрический заряд остальной части атома равен двум, и т. д. С увеличением числа внешних электронов увеличивается заряд положительного иона, сила притяжения электронов возрастает, радиус орбит уменьшается и прочность связи растет. Связь наиболее прочна, когда внешняя оболочка целиком заполнена. Это имеет место у инертных газов: гелия, неона, аргона и других. Число электронов во внешней оболочке равно двум у гелия и восьми у всех остальных.

Атомное ядро

В атоме электрические силы являются главными. Внутри ядра им принадлежит выдающаяся, но уже не основная роль. Заряженные положительно протоны ядра расположены чрезвычайно близко друг к другу и поэтому не могут не взаимодействовать. С громадной силой они отталкиваются друг от друга, и не будь более мощных ядерных сил, ядро не могло бы существовать. Со скоростями, близкими к скорости света, протоны разлетелись бы в разные стороны.

Два типа сил между атомами

Доказать существование значительных сил между нейтральными атомами (или молекулами) совсем не сложно. Попробуйте-ка сломать толстую палку! А ведь она состоит в конечном счете из атомов. Два типа электрических сил совершенно разной природы могут действовать между атомами. Один из них имеет простой аналог во взаимодействии больших тел и «вполне добропорядочен», ибо является классическим в своей основе.

На больших расстояниях между атомами действуют только классические силы. В этом случае взаимодействие атомов проявляет, несомненно, если не полное, то достаточно заметное пренебрежение к деталям строения самих атомов. Как взаимодействие отдельных атомов, так и взаимодействие групп атомов, объединенных в молекулы, подчинено одному закону. Именно поэтому данный тип сил носит название молекулярных. Ведь атом можно считать частным случаем молекулы, ее простейшей формой. Иногда эти силы называют силами Ван-дер-Ваальса по имени голландского ученого, который впервые ввел их в теорию газов и применил для объяснения перехода газов в жидкое состояние.

Если попытаться сблизить атомы на расстояние, меньшее суммы их радиусов, то между ними обязательно возникнут силы отталкивания. Вогнать один атом внутрь другого не удастся.

Надо подчеркнуть, что в основе как молекулярных сил, так и химических лежит электростатическое взаимодействие. Магнитные силы сколько-нибудь существенной роли не играют.

Сейчас мы познакомимся с обоими типами сил несколько более подробно.

Молекулярные силы

Как возникает молекулярное притяжение между электрически нейтральными системами? Сначала постараемся понять, почему клочки бумаги или другие легкие предметы притягиваются к наэлектризованному телу.

Вот положительно заряженный стержень приближается к бумажной полоске. Заряженные частицы атомов бумаги не могут остаться к этому равнодушными. Электроны смещаются навстречу положительному заряду, а ядра отступают немного назад. Происходит то, что физики называют поляризацией. Отрицательный заряд оказывается ближе к наэлектризованному телу, чем положительный, и сила притяжения получает перевес над силой отталкивания.

Если вместо бумажного клочка была бы одна только молекула, с ней произошло бы то же самое. Электрическое поле подобно ветру сдувает легкие электроны немного в сторону от ядер, и молекула превращается в электрический диполь, в котором заряды противоположных знаков пространственно разделены.

У многих веществ, например у воды, молекулы при своем рождении сразу же оказываются подобными электрическому диполю. Такие молекулы своим электрическим полем вызывают поляризацию соседей и появление сил притяжения.

Молекулярные силы

Химические силы

Силы Ван-дер-Ваальса не способны объяснить образования молекул. Прежде всего для этого они слишком слабы. Но не это главное. Химическая связь, подобно тесной дружбе между людьми, обладает необычайным свойством насыщения. Атом водорода может присоединить к себе только один такой же атом, но ни в коем случае не два и не три. Атом углерода способен связать четыре атома водорода, но не более, и т. д. Это свойство с самого начала представляется загадочным. Ни один тип сил, с которыми мы имели дело до сих пор, не обладал свойством насыщения. Звезда, например, подобно оратору, который может взаимодействовать с аудиторией любой величины, способна притягивать к себе любое число планет. Сила, действующая на одну из них, никак не зависит от наличия остальных. Не знают насыщения электромагнитные силы между заряженными частицами. Не знают его и силы молекулярного притяжения.

Химические силы

Свойство насыщения выражается в химии понятием валентности, которое было введено еще задолго до того, как ученые смогли приступить к выяснению природы химических сил.

Химическую связь в самых общих чертах можно объяснить как результат коллективизации внешних (валентных) электронов двух соединяющихся атомов. При определенных расстояниях между ядрами коллективизированные электроны, проходя между ядрами, компенсируют отталкивание последних. На больших расстояниях коллективизация не возникает и действуют только силы Ван-дер-Ваальса. Насыщение обусловлено ограниченным числом коллективизируемых электронов.

Форма электронного облака молекулы водорода (Н₂) сильно отличается от сферически симметричного облака изолированных атомов. Получающаяся картина несколько напоминает делящуюся биологическую клетку до ее полного разделения.

* ( Здесь и в дальнейшем мы используем очень образное изложение природы химических сил, принадлежащее советскому физику Я. И. Френкелю.)

Как притяжение, так и отталкивание получает, таким образом, полное объяснение.

* ( В отличие от гомеополярных (однородных) молекул, таких, как молекула водорода.)

Распределение электронов утрачивает полярный характер по мере уменьшения различия ядер, становясь совершенно симметричным в случае одинаковых атомов.

Молекулу нельзя представлять себе как сумму неизменных атомов, удерживаемых в равновесии силами притяжения и отталкивания. Это представление Берцелиуса 150-летней давности является грубо упрощенным.

Междуатомной связи нет в молекуле, потому что не существует атомов, которые могли бы объединиться в молекулу, оставаясь неизменными. Так, в молекуле водорода, строго говоря, нет атомов водорода, их индивидуальность растворяется при слиянии в новую систему. В ней содержится только «сырой материал», из которого они могут быть построены: два протона и два электрона. В этом коренное отличие химических сил от всех сил, с которыми мы познакомились ранее. Молекулу нужно рассматривать как сумму ядер, экранированных внутренними электронами, и коллективизированных внешних электронов, движение которых зависит от расстояния между ядрами.

Спин элементарных частиц

Теперь нам осталось уяснить подробнее последний важный момент: что определяет валентность атома? Здесь нам придется предварительно познакомиться с еще одним фундаментальным свойством элементарных частиц, о котором еще не было сказано ни слова. Это так называемый спин. Именно спин в сочетании с принципом Паули позволил Гайтлеру и Лондону в Англии построить квантовую теорию химической связи и объяснить валентность.

Спин наглядно соответствует как бы «собственным вращениям» частиц. Было бы, однако, наивно представлять себе что-то вроде волчков, вращающихся вокруг своей оси. Не нужно забывать, что частицы вовсе не шарики и вообще не тот объект, портрет которого мог бы написать самый изощренный художник. Во всяком случае художник-натуралист. Наши наглядные представления хороши для мира «больших вещей», для макромира, но мало чем могут помочь, когда мы начинаем изучать явления микромира.

Спин элементарных частиц

Здесь вы, с удивлением прочитав и то, что спин связан с собственным вращением, и то, что одновременно ни о каком наглядном механическом вращении частиц говорить нельзя, можете почувствовать, что с вами обращаются дурно, и спросить в упор: а что же такое спин?

Вращательный момент

Если из ствола нарезного ружья вылетает пуля, то она на лету вращается вокруг продольной, т. е. совпадающей с направлением полета, оси. Представьте теперь себе момент охоты очень сильно закрученными пулями (нечто в духе Мюнхаузена). Засевшая в мишени пуля сообщит ей свое вращение и мишень начнет вращаться в ту же сторону, что и пуля. Физики говорят, что вращательный момент, который первоначально был только у пули, распределился между пулей и мишенью, в которой она застряла. Вращательный момент системы тел не может сам по себе, без воздействия со стороны, ни увеличиваться, ни уменьшаться. Это составляет суть закона сохранения вращательного момента или момента количества движения. Однако дело не в терминах. Для нас они не так уж важны. Не понадобится нам и точная формулировка этого важнейшего закона сохранения, по праву занимающего место рядом с законами сохранения энергии и количества движения. Важно усвоить только то, что по вращению мишени можно (причем точно, количественно!) судить о бывшем вращении пули.

А теперь представьте себе, что мишень обстреливается электронами или другими элементарными частицами и поглощает их. Если все частицы закручены в одну сторону, то, поглощаясь, они должны сообщить вращение мишени. Так вот, чем больше спин, тем сильнее начнет вращаться мишень.

Разумеется, описанный нами опыт с мишенью является весьма грубым подобием реальных экспериментов, но мы не будем усложнять наш рассказ излишними деталями.

Момент количества движения

Электрон, как показывает опыт, может быть закручен только двумя способами: вращение электрона образует либо правый, либо левый винт с направлением его движения. Соответственно может закручиваться и мишень. Говоря другими словами, возможны только две ориентации спина по отношению к любому направлению. Поэтому, если спин одного электрона фиксирован, то спин другого либо параллелен ему, либо антипараллелен.

Что определяет валентность атомов?

Взаимная ориентация спинов оказывается решающим фактором при образовании молекулы водорода. Химическая связь возникает только в том случае, когда коллективизируемые электроны имеют противоположно направленные спины. При столкновении атомов водорода с параллельными спинами электроны также коллективизируются на некоторое время, но стабильных состояний не возникает. Коллективизация в этом случае приводит к появлению сил отталкивания независимо от расстояний между ядрами.

Дело в том, что взаимная ориентация спинов определяет, согласно квантовой механике, характер движения электронов. При антипараллельных спинах электроны проводят сравнительно большое время между ядрами, так что средняя плотность отрицательного заряда оказывается достаточной для компенсации отталкивания ядер. При параллельных спинах эта плотность мала, и происходит отталкивание.

Движение электронов

Итак, связывающие состояния образует пара электронов, имеющих антипараллельные спины.

Теперь все необходимое для объяснения насыщения и валентности налицо. Начнем с простого. Почему молекула водорода Н₂ не может присоединить к себе еще один атом? Почему бы, например, сразу трем электронам не связать все три ядра?

Это запрещено принципом Паули. Коллективизированные электроны находятся в одном и том же квантовом состоянии и поэтому обязаны отличаться ориентацией спинов. Но возможны лишь две ориентации! Поэтому двум электронам с антипараллельными спинами разрешается осуществлять связь, но третий здесь оказывается абсолютно лишним.

После того как молекула водорода образована, она всегда будет отталкивать водородные атомы. Этим и объясняется насыщение.

Вот еще на что здесь нужно обратить внимание. Каждый из водородных атомов, сливающихся в молекулу, имеет по одному электрону с произвольно ориентированным спином. Молекула водорода имеет пару электронов с антипараллельными спинами и не присоединяет к себе новых атомов.

Этот факт имеет совершенно общее значение. Электроны, образующие пары с антипараллельными спинами, в каждом из атомов не принимают участия в химической связи. Эту связь могут осуществлять лишь электроны со свободными спинами.

Во внутренних целиком заполненных оболочках электроны всегда образуют пары и не участвуют в химической связи. Такой же характер имеют внешние оболочки благородных газов, которые по этой причине в невозбужденном состоянии совершенно не активны химически. Лишь в том случае, если внешняя оболочка атома не заполнена целиком, ее электроны могут создавать химическую связь.

Но не все электроны! Число электронов, обладающих «свободными» спинами, а следовательно и валентность атома, равно либо числу внешних электронов, не входящих в замкнутые оболочки, либо же числу электронов, недостающих до завершения оболочки, в зависимости от того, какое из этих чисел меньше.

Таким образом, несмотря на ничтожную в макроскопических масштабах величину, спин электрона определяет всю «химию» атомов. Протекая в больших масштабах, химические реакции, начиная от простого горения и кончая сложнейшими превращениями внутри живого организма, вызывают изменения в мире, преобразующие весь его облик.

Газы, жидкости и твердые тела

Если в самых общих чертах попробовать представить себе строение газов, жидкостей и твердых тел, то можно нарисовать следующую картину. Молекулы (или атомы) газа стремительно, как бегуны-спринтеры, проносятся в пространстве, заполненном газом. Расстояния между ними значительно превышают их собственные размеры. Непрерывно сталкиваясь друг с другом на лету, они дикими зигзагами бросаются из стороны в сторону.

Молекула жидкости ведет себя иначе. Зажатая, как в клетке, между другими молекулами, она совершает бег на месте (колеблется около положения равновесия). Лишь время от времени она совершает прыжок, прорываясь сквозь «прутья клетки», но тут же попадает в новую клетку, образованную новыми соседями. Время оседлой жизни продолжается около десятимиллионной доли секунды.

Атомы твердых тел не в силах разорвать «путы», связывающие их с ближайшими соседями, и обречены совершать только бег на месте. Правда, и они могут иногда покидать положения равновесия, но происходит это редко.

Упругие свойства жидкостей и газов

Теперь вы располагаете необходимыми сведениями, чтобы понять происхождение упругих сил в жидкостях и газах. При желании с этим делом вы можете справиться сами. Попробуйте и, если не поленитесь, придумаете то, о чем можно прочесть ниже. Читать же будет скучновато, так что можно продолжать чтение прямо с рассказа о поверхностном натяжении, где дело обстоит много сложнее.

В газах и жидкостях (кроме жидких металлов) из сил притяжения действуют только силы Ван-дер-Ваальса, а в твердых телах еще и обменные силы.

Силы Ван-дер-Ваальса удерживают молекулы жидкости друг возле друга на близких расстояниях порядка размеров самих молекул. Если попытаться жидкость сжать, то молекулы ее начнут сближаться друг с другом и между ними будут быстро нарастать силы отталкивания. Причем молекулы расположены столь тесно, что уже при незначительном сближении силы отталкивания достигают большой величины.

Не правда ли, понять это ничуть не сложнее, чем понять, почему так трудно втиснуться в переполненный автобус.

Не намного труднее объяснить, отчего жидкость текуча, не способна сохранять свою форму. Под влиянием внешней силы (обычно это притяжение к Земле) перескоки молекул жидкости, о которых шла речь, происходят в направлении действия силы, и жидкость в результате течет. Надо только, чтобы время действия силы было много больше времени оседлой жизни молекул. В противном случае сила вызовет лишь упругую деформацию сдвига и обычная вода будет тверда как сталь.

При нагревании энергия теплового движения молекул растет, перескоки молекул учащаются. В конце концов силы Ван-дер-Ваальса оказываются не в состоянии удержать рвущиеся во все стороны молекулы, и жидкость перестает существовать. Образуется газ.

Молекулы газа разлетаются во все стороны, и молекулярное притяжение уже не властно над ними. Вещество перестает сохранять не только форму, но и объем. Как бы мы ни расширяли сосуд, содержащий газ, он заполнит его целиком без каких-либо усилий с нашей стороны.

Барабанная дробь бесчисленных ударов газовых молекул о стенки сосуда создает давление.

Поверхностное натяжение

Такие силы, как тяготение, упругость и трение, бросаются в глаза; мы ощущаем их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Она даже в последнее время не включалась в программы приемных экзаменов для поступающих в вузы. Тем не менее мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовывалась бы. Слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.

Такое же впечатление производит пленка мыльного пузыря. Она походит на тонкую растянутую резину детского шарика. Если вынуть соломинку из рта, то пузырь вытолкнет воздух и сожмется.

Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

* ( Небольшое отступление от сферичности капель вызвано сопротивлением воздуха. Внутри кабины космического корабля пролитая вода собралась бы в правильный парящий шар.)

* ( Это сделано в прекарасной книге Ч. Бойса «Мыльные пузыри», которая, правда, является сейчас библиографической редкостью.)

Если большая группа индивидуумов наделена свойством притягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу, то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою. Каждый индивидуум «стремится» внутрь этого кома, в результате чего поверхность кома сокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель возникновения поверхностного натяжения.

Молекулы воды (или другой жидкости), притягиваемые друг к другу силами Ван-дер-Ваальса,- это и есть собрание индивидуумов, стремящихся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается своими собратьями и потому имеет тенденцию к погружению вглубь как в жидких, так и в твердых телах. Но жидкость, в отличие от твердых тел, текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и мы воспринимаем это как поверхностное натяжение.

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. И это действительно так. При сокращении резины упругая сила ослабевает, а силы поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения поверхности плёнки, так как среднее расстояние между молекулами не меняется.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, ибо силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.

Четыре типа кристаллов

Подумав так, вы не ошибетесь. Парафин состоит из отдельных молекул, связанных друг с другом силами Ван-дер-Ваальса. Кристалл алмаза можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Силы молекулярного притяжения значительно слабее химических сил и соответственно парафин не идет ни в какое сравнение по твердости с алмазом.

* ( К молекулярным кристаллам относятся кристаллы, состоящие из гомеополярных молекул: водорода, азота и др. Сухой лед (твердая углекислота) и многие органические вещества являются также молекулярными кристаллами.)

Кристаллы

Кристаллическая решетка алмаза

Парноэлектронные связи алмаза очень прочны и не рвутся с увеличением интенсивности тепловых колебаний атомов, т. е. с ростом температуры. Поэтому алмаз не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Кристаллы кремния и германия подобны кристаллу алмаза, но у них парноэлектронные связи не столь прочны. Небольшое нагревание вызывает разрыв отдельных связей. Электроны покидают проторенные тропы и обретают свободу. Во внешнем электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Подобного рода вещества называются полупроводниками.

Кристаллы кремния и германия

Коллективизация валентных электронов связывает также атомы так называемых ионных кристаллов: поваренной соли (NaCl), бромистого серебра (AgBr) и др. У молекулы NaCl, как вы помните, коллективизация в сущности сводится к экспроприации хлором одного электрона натрия. То же самое происходит в кристалле поваренной соли. Все валентные электроны фактически движутся по хлорным узлам решетки и кристалл, грубо говоря, состоит из ионов противоположных знаков. Связь в этом случае обеспечивается электростатическими силами притяжения.

* ( Природа связи в жидких металлах та же, что и в твердых.)

Но отличие от валентных кристаллов велико. В случае валентных кристаллов коллективизированные электроны циркулируют по строго определенным путям между соседними атомами. В металле электроны оказываются свободными и могут перемещаться по всему куску в любых направлениях. Это проявляется ясно и отчетливо. Металлы и сплавы хорошо проводят электрический ток, в то время как валентные кристаллы в большинстве своем являются изоляторами.

Конец цепочки вопросов

После всего сказанного о силах между атомами и молекулами и о строении твердых тел уже совсем просто ответить на вопрос о том, почему при прогибе стола возникают силы упругости. (Менее просто построить количественную теорию, но мы это и не собираемся делать.)

Положенная на стол книга слегка сжимает верхнюю часть доски и растягивает нижнюю. Это продолжается до тех пор, пока расстояния между атомами не изменятся настолько, что упругая сила уравновесит книгу. Если книгу снять, то межатомные расстояния восстановятся, и поверхность стола примет прежнюю форму.

Сухое трение

Итак, мы знаем, почему книга не проваливается сквозь стол. Но что мешает ей соскользнуть, если стол немного наклонен? Конечно, трение!

На первый взгляд объяснить происхождение силы трения очень просто. Ведь поверхность стола и обложка книги шероховаты. Это чувствуется на ощупь, а под микроскопом видно, что поверхность твердого тела более всего напоминает горную страну. Бесчисленные выступы цепляются друг за друга, немного деформируются и не дают книге скользить. Таким образом, сила трения покоя вызвана теми же силами взаимодействия молекул, что и обычная упругость.

Вы увеличили наклон стола, и книга начала скользить. Очевидно, при этом начинается «скалывание» бугорков, разрыв молекулярных связей, не способных выдержать возросшую нагрузку. Сила трения по-прежнему действует, но это уже будет сила трения скольжения. Обнаружить «скалывание» бугорков не представляет труда: результатом такого «скалывания» является износ трущихся деталей.

Казалось бы, чем тщательнее отполированы поверхности, тем меньше должна быть сила трения. До известной степени это так. Шлифовка снижает, например, силу трения между двумя стальными брусками. Но не беспредельно! Сила трения внезапно начинает расти при дальнейшем увеличении гладкости поверхности. Это неожиданно, но все же объяснимо.

Сила трения

Часто в популярных книгах и научно-фантастических рассказах рисуют картину мира без трения. Так можно очень наглядно показать как пользу, так и вред трения. Но не надо забывать, что в основе трения лежат электрические силы взаимодействия молекул. Уничтожение трения фактически означало бы уничтожение электрических сил и, следовательно, неизбежный полный распад вещества.

Трение в жидкостях и газах

При движении двух соседних слоев жидкости друг относительно друга между ними имеется идеальный контакт, неосуществимый при соприкосновении твердых поверхностей, как бы тщательно они ни были отшлифованы. Молекулы более быстрого слоя увлекают за собой молекулы медленного слоя, так как между ними действует молекулярное притяжение, и в свою очередь тормозятся ими. В этом причина вязкости или внутреннего трения в жидкостях.

* ( Надо заметить, что физические процессы как при сухом, так и при жидком трении крайне сложны, и удовлетворительной количественной теории этих явлений не существует до сих пор.)

В газах среднее расстояние между молекулами столь велико, что молекулярное притяжение не может вызвать трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга. Если бы молекулы не вылетали за пределы этих слоев, то не было бы трения. Но тепловое движение выбрасывает молекулы за границы слоев. Попадая из быстрого слоя в медленный, молекулы при столкновениях ускоряют этот слой, а молекулы медленного слоя, проникая в быстрый, тормозят его. Появление ускорений означает появление сил. Однако в газах силы трения в сотни раз меньше, чем в жидкостях.

Силы наших мышц

Сила, развиваемая мышцей, заслуживает всяческого уважения. Каждый может встать на цыпочки на одной ноге даже с грузом. Значит, икроножная мышца способна поднять около 100 килограммов. Если же учесть, что стопа представляет собой рычаг и мышца прикреплена к короткому плечу этого рычага, то мы получим еще более солидную цифру: почти тонну. И все это при условии, что человек не может по своей воле заставить ее дать максимальное сокращение. Если регуляция со стороны нервной системы будет нарушена и мышца разовьет свою полную силу, то она способна оторвать кусочек кости, к которой прикреплена.

А поразительная работоспособность мышцы! Сердечная мышца совершает работу день и ночь, непрерывно, без всякого ремонта на протяжении многих десятков лет. На это не способна пока еще ни одна машина, созданная человеком.

Деятельность мышцы

В основе всей деятельности мышцы лежат сложные химические превращения внутри клеток. Мы не будем говорить обо всех имеющихся здесь проблемах, которые, кстати сказать, остаются в основном нерешенными и до сего времени, даже несмотря на значительные успехи: в последние годы четверо ученых были удостоены Нобелевских премий за работы по выяснению химии мышц. Мы расскажем лишь об одном: как возникает мышечная сила? Что заставляет мышцу сокращаться?

* ( Механизм сокращения мышц мы излагаем, пользуясь книгой Джерарда «Функции человеческого тела».)

Белковая молекула погружена в жидкую среду (на 70% мышца состоит из воды), химический состав которой определяет, будут ли боковые группы атомов сцепляться друг с другом, образуя временные связи, или останутся свободными. В результате сцепления боковых групп «спинной хребет» молекулы изгибается.

Если таких соединений будет много, то белковая цепь сильно изогнется и укоротится, подобно тому как укорачивается виноградная лоза при сцеплении усиков и листьев. Это, в принципе, и есть механизм, обеспечивающий сокращение мышцы.

* ( Химическая, а следовательно, электрическая, природа мышечных сил является основой и других гипотетических механизмов сокращения.)

Соединение боковых групп атомов наступает при увеличении щелочности раствора, окружающего мышечное волокно. Добавление же некоторого количества кислоты ведет к расслаблению мышцы.

Но каким же образом из нашего желания перевернуть страницу книги в конце концов возникает изменение химического состава среды в большой группе мышц? На этот вопрос вы не найдете ответа в нашей книге. Не найдете пока и ни в какой другой. Сложная цепь протекающих здесь процессов далеко еще не прослежена во всех своих звеньях.

Источник