27-09-2018 11:31

Является ли молекула мельчайшей частицей вещества: современные представления о "кирпичиках" материи

Все окружающие нас вещества являются дискретными, то есть состоят из отдельных маленьких "кирпичиков". Большинству людей известны два типа этих "кирпичиков": молекулы и атомы. Является ли молекула мельчайшей частицей вещества? Этот вопрос рассматривается в статье.

Вопрос о структуре материи

Прежде чем переходить к ответу на вопрос о том, является ли молекула мельчайшей частицей вещества и почему, если да или нет, полезно рассмотреть появление самой концепции о дискретности материи.

Чем физические явления отличаются от химических? Физические и химические явления: примерыВам будет интересно:Чем физические явления отличаются от химических? Физические и химические явления: примеры

Современные достижения науки во многом обязаны учениям древнегреческих философов. Не является исключением и вопрос о структуре окружающей нас материи. Многие источники свидетельствуют, что Демокрит, наблюдая за искрами, которые возникают, если потереть мехом янтарь, предположил существование элементарных частиц, которые образуют материю. Впоследствии он развил свое учение, которое сейчас принято называть атомистическим. Само слово "атом" с древнегреческого переводится как "неделимый".

Здесь важно подчеркнуть две особенности: во-первых, Демокрит не самостоятельно додумался о существовании атомов, многие идеи этого учения принадлежат его наставнику; во-вторых, имеются исторические свидетельства, что еще в XV веке в Индии существовало похожее учение о дискретности вещества, то есть за 1000 лет до рождения Демокрита!

Атомное учение о строении материи не было воспринято в Античное время (известно, что знаменитый древнегреческий философ Аристотель отвергал эту концепцию), а в Средние века вопрос о строении вещества даже не ставился, поскольку в это время наука практически не развивалась. Вспомнили об атоме только в Новое время, тогда же и появилось понятие "молекула".

"Появление" молекулы

Известный итальянский физик Амедео Авогадро в XVIII веке, изучая поведение газов, пришел к выводу, что они состоят не из атомов, а из более крупных образований, для которых он использовал название "молекула". Этот термин с латинского языка можно перевести как "маленькая масса", то есть частичка, образующая вещество. Исходя из значения самого названия, можно ответить положительно на вопрос о том, является ли молекула мельчайшей частицей вещества. Однако это будет неверно! Здесь любопытно провести аналогию с названием "атом", ведь он также не является "неделимым".

Современные представления о молекулах

Согласно современному определению, молекула – это электрически нейтральная и стабильная группа по крайней мере двух атомов, которые соединены между собой сильными химическими связями (ковалентными, ионными). К этому определению важно добавить свойство молекул объединяться в массивные тела за счет слабых сил (вандерваальсовые взаимодействия, водородные связи).

Примерами молекул является вода (H2O), кислород (O2), молекула белка, ДНК и многие другие. Раньше говорили также об одноатомных молекулах (благородные газы), однако сейчас это понятие практически не используется, поскольку одноатомная молекула является простым атомом.

Также под понятие "молекула" не попадают кристаллические и аморфные структуры. Например, в случае металлического кристалла не принято говорить о молекуле. Главным образом этим понятием оперируют в биологии и органической химии, когда говорят о белках, жирах и углеводах.

Молекула – это не мельчайшая частица вещества!

Почему не является молекула мельчайшей частицей вещества? Потому что она состоит из атомов, поэтому атом – это мельчайшая единица материи. Например, вода в виде жидкости состоит из молекул H2O, но ведь сама молекула состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

В природе много примеров веществ, которые не образованы молекулами. По сути таковыми являются многие твердые материалы неорганической химии: металлические (сталь), ковалентные (алмаз), ионные (поваренная соль) кристаллы.

В свою очередь, большинство жидкостей (вода, спирт, бензин) и газов (углекислый газ, метан) – это молекулярные структуры, то есть мельчайшим их "кирпичиком" является соответствующая молекула.

Любопытно, но на многих форумах люди отвечают положительно на вопрос о том, является ли молекула мельчайшей частицей вещества. Почему? В этом ответе делается ссылка на тот факт, что молекула сохраняет свойства конкретного вещества, если его разделить на эти "кирпичики". Этот ответ является неправильным, поскольку свойства объемной материи во многом зависят не только от молекул (если таковые в ней имеются), которые ее составляют, но и от взаимодействия между ними. Например, отдельная молекула воды не обладает теми же физическими свойствами, которые будет проявлять моль молекул воды. Более того, при уменьшении геометрических размеров системы большую роль начинают играть квантовые эффекты.

Является ли атом настоящей мельчайшей единицей материи?

После того как был разобран вопрос о том, что действительно молекулы – это мельчайшие частицы, но они не являются самыми маленькими структурными единицами материи, интересно заметить, что атому хотя и принадлежит роль самой крохотной частицы материи, все же он не является "неделимым".

Многие люди знают, что атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Некоторые также знают, что протоны или нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков. Тогда получается кварк – элементарная частица материи?

Ответ на этот вопрос не может быть однозначным. Так, ученым известны элементарные частицы класса лептонов, самой маленькой из которых является нейтрино, однако нейтрино не образует материи. К лептонам также относится и электрон, его энергия намного меньше энергии любого кварка, поэтому в энергетическом плане он может считаться элементарной частицей вещества. Тем не менее вопрос усложняется существованием некоторых современных физических теорий (например, теории суперструн), в которых выдвигаются гипотезы о существовании еще более мелких "кирпичиков" материи.



Источник