Во времена Сократа греческие мыслители, такие, например, как Демокрит, считали, что вся материя состоит из очень маленьких отдельных частичек. Они полагали, что эти частички совершенно одинаковы, но расположены различным образом и потому производят на наши органы чувств самые разнообразные и удивительные ощущения, позволяющие познавать окружающий нас материальный мир. И хотя эти представления нельзя было подтвердить убедительными аргументами, на протяжении многих веков они прочно удерживались в сознании людей. Наконец в XIX веке физики и химики получили убедительные, но косвенные доказательства в пользу этих представлений. В 1805 г. европейские химики начали изучать внутреннюю природу материи. Они установили, используя чаще всего весы, что при тех изменениях, которые они изучали, полная масса остается неизменной, а сами эти изменения происходят по некоторым, хотя и сложным, но совершенно определенным правилам. Эти наблюдения вновь привели химиков к старым представлениям греков.
Как было указано в конце раздела 7.6, сохранение вещества, обнаруживаемое взвешиванием на весах, позволяет нам высказать предположение о том, что все изменения материи, наблюдаемые нами в природе, сводятся просто-напросто к перестройке одних и тех же неизменных основных элементов. При любой перестройке число элементарных кирпичиков не изменяется, и весы останутся в равновесии при растворен ли, ржавлении или даже при взрыве образца. И так как мы комбинируем кирпичики всего лишь нескольких типов, все наши комбинации должны соответствовать каким-то определенным правилам и закономерностям. Многие из этих химических правил, как мы увидим в следующей главе, должны вытекать из самого факта существования мельчайших кирпичиков материи. Короче говоря, мы приходим к заключению, что существуют естественные элементарные кирпичики, из которых построена материя и о которых мы ничего не могли сказать, когда речь шла о пространстве и времени. Эти естественные кирпичики представляют собой атомы.
Из атомов построен материальный мир. Атомов величайшее множество, но их существует всего лишь несколько сотен типов. Все разнообразие материи возникает из сложного, но повторяющегося сочетания этих мельчайших составных частичек. В этом состоит существо представления об атоме - представления, возникшего еще в античные времена.
Для каждого грамотного человека можно привести такую аналогию: способ, которым воспроизведено все то, что напечатано по-английски, от "Гамлета" до телефонной книги, представляет собой сочетание нескольких дюжин букв, цифр и знаков, собранных огромным разнообразием способов. Что же представляет собой "алфавит" материи, как написаны "слова" и что они означают для характеристики свойств и происхождения всей материи, заполняющей окружающий нас мир? Величайшая задача современной науки - физики, химии, астрономии и биологии - как раз и состоит в том, чтобы ответить на все эти вопросы.


В то время как в XIX веке химики искали объективные доказательства существования атомов, физики, такие как Максвелл и Больцман, изучавшие свойства и поведение газов, получили доказательства существования крошечных частиц материи. Идя своим собственным путем, они также подошли к представлению об атомах. В нашем столетии новые методы исследования позволили получить еще более убедительные доказательства существования атомов. В наши дни атомы химических элементов настолько же реальны, насколько реальны кирпичи или стулья. Атомы представляют собой плод научного воображения в значительно большей степени, чем, например, строение гор или звезд, но часто с атомами нам легче манипулировать.
Наиболее прямой путь изучения структуры материи состоит в том, чтобы с помощью прибора, дающего большое увеличение, рассмотреть тонкие детали. Микроскоп, в котором рассматриваемый объект освещается светом, может увеличивать линейные размеры в несколько тысяч раз. В электронном микроскопе вместо света применяется пучок электронов, и изображение получается на экране, совершенно таком же, как в телевизоре. С его помощью можно увеличивать линейные размеры в миллион раз и даже больше. Однако поперечный размер его поля зрения составляет всего только 1СГ⁶м. Для того чтобы при таком увеличении рассмотреть всю площадь одной почтовой марки, потребовалось бы столько фотографий размером в полстраницы, что из них составилось бы полмиллиона томов стандартного размера и понадобилось бы библиотечное здание солидных v размеров! Однако при тщательном анализе нескольких таких увеличенных крохотных участков материи и пространства можно обнаружить новые и удивительные вещи.
Конечно, прежде чем разумно применять такой прибор, мы должны научиться разбираться в том, что мы видим. Прежде всего для каждого прибора следует установить границы его применимости и научиться исправлять те ошибки, которые могут возникнуть в самом приборе. Иногда требуются десятки лет напряженной исследовательской работы для того, чтобы полностью овладеть прибором и чтобы он получил широкое распространение. Несколько веков назад к телескопу относились с недоверием. Считали, что он дает сомнительную и неверную картину. Еще недавно, каких-нибудь 25 лет назад, такая же история произошла и с электронным микроскопом. В наши дни этот прибор получил всеобщее признание, и мы пользуемся им с такой же легкостью, как и обыкновенными очками. Изображения, получаемые с помощью телескопа, оптического микроскопа, а также электронного микроскопа, в результате тщательного изучения, перекрестного контроля и анализа стали понятными и приобрели большой смысл.

Рис. 7.14. Изучение фталоцианина меди. На микрофотографии слева наверху изображены маленькие частички пигмента, увеличенные приблизительно в 10* раз с помощью оптического микроскопа. При таком увеличении мы не можем рассмотреть характерную структуру вещества. Если мы повысим увеличение на два порядка (92500 X) с помощью электронного микроскопа, мы увидим кристаллики лентообразной формы (слева внизу). И опять это все, что нам удастся увидеть. Однако если с помощью электронного микроскопа мы повысим увеличение еще на один порядок (1,5-10^e х), мы увидим удивительные вещи (справа наверху). Вместо ровной поверхности кристалла мы увидим теперь другую структуру, напоминающую вельвет. Эта строго регулярная структура представляет собой предел увеличения электронного микроскопа, при котором мы видим молекулярные слои. Расстояние между линиями - около 10-" м.
Справа внизу приведена контурная схема молекулы фталоцианина платины (по Робертсону и Вудворду) -соединения, немного отличающегося по своей структуре от фталоцианина меди. Центр каждой системы замкнутых контуров представляет собой центр атома в молекуле. Эта схема показывает, что мы видим при изучении молекулы фталоцианина с помощью рентгеновских лучей. Справа в центре изображено геометрическое расположение атомов в молекуле, соответствующее контурной схеме. Эти молекулы расположены таким образом, что они образуют группу в кристалле (по Робертсону и Вудворду). На двух последних иллюстрациях изображено поперечное сечение длинных стержнеобразных структур, представленных справа сверху.

На рис. 7.14 приведены результаты изучения образца зеленого красителя (пигмента), обладающего, по сравнению с многими другими веществами, более крупной структурой. На последней фотографии мы видим послойное строго упорядоченное расположение атомов, характерное для твердого тела. Интересно сравнить эту фотографию с рис. 7.15, полученным при меньшем увеличении, но дающем уже лучшее представление об атомной структуре. На этом рисунке мы видим строгий порядок, напоминающий груду пушечных ядер, а в действительности это кристалл, образованный частичками вируса. Эти частички вируса представляют собой сложные образования, каждое из которых состоит из нескольких миллионов атомов. Такие же правильно расположенные пачки атомов, но значительно меньшие, чем эти частички вирусов, образуют кристаллы соли, сахара или металлов. Можно думать, что регулярность таких микроструктур и объясняет ту упорядоченность строения, которую мы наблюдаем у кристаллов.
Мы можем видеть также и отдельные атомы, а не только их скопления. Ионный микроскоп Мюллера позволяет обнаружить положение и даже движение атомов или, может быть, группы из нескольких атомов, находящихся на кончике очень тонкой иглы из твердого металла. Как и в электронном микроскопе, изображение получается на флуоресцирующем экране. На рис. 7.16 приведены фотографии с изображением расположения атомов на острие вольфрамовой иглы, а также модели такого расположения.

Рис. 7.15. Кристалл омертвевшего протеинового вируса. Эта электронно-микроскопическая фотография участка кристалла протеина показывает, что молекулы расположены весьма упорядоченным образом. При этом увеличении (около 8-10⁴х) молекулы напоминают большое количество аккуратно уложенных апельсинов. Действительный размер целого кристалла-около 1,7-10^-6 м.

Рис. 7.16. С помощью ионного микроскопа, изображенного в очень упрощенном схематическом виде слева наверху, были получены фотографии, приведенные на этой странице. Игла заряжена положительно. Она отталкивает положительно заряженные атомы гелия (ионы), и на флуоресцирующем экране образуется картина, представляющая собой увеличенное изображение положения атомов вольфрама на острие иголки. В центре наверху мы видим острую вольфрамовую иголку (радиусом 260 А), рядом с которой для сравнения показано острие обыкновенной булавки. Справа вверху изображена модель острия вольфрамовой иголки, сделанная из пробковых шариков, уложенных по способу, напоминающему расположение молекул в протеиновом вирусе (рис. 7.15). Острие иголки направлено прямо на наблюдателя и находится в центре. Обратите внимание на то, что иголка состоит из определенного количества слоев, число которых прогрессивно уменьшается по мере приближения к вершине острия. Шарики, расположенные по периметрам атомных плоскостей, покрыты светящейся краской. Фотография, сделанная с этой модели в темноте и воспроизведенная слева внизу, показывает расположение этих шариков. Сравните эту фотографию с картиной, полученной с помощью ионного микроскопа от острия вольфрамовой иглы и приведенной справа внизу.

С помощью невооруженного глаза нельзя увидеть ни спутников Юпитера, ни микроба воспаления легких, Чтобы увидеть удаленные от нас спутники, нам нужен телескоп, а крошечные микробы мы можем увидеть только с помощью микроскопа. Совершенно так же обстоит дело и с атомами: люди, изготовляющие приборы, принцип действия которых доступен нашему пониманию, помогают нашим глазам увидеть крошечные строительные кирпичики материи.
Давайте используем наши приборы для определения размеров атома. Посмотрите опять на рис. 7.14, на котором приведены фотографии зеленого пигмента. Элементы структуры, напоминающей вельвет, повторяются через каждые 10~⁹ м. Этот узор образован одинаковыми группами атомов, которые все время повторяются. Эти группы были изучены с помощью рентгеновских лучей, т. е. с помощью другого косвенного метода, позволяющего "видеть" атомы; результаты рентгенографического анализа изображены в виде контурной схемы. В тех местах, где контуры образуют темное пятно, мы "видим" атомы. На площади квадрата со стороной около 10~⁹ м умещается приблизительно 40-50 атомов. Другими словами, на каждую сторону квадрата приходится по 7 атомов. Таким образом, каждый атом имеет линейный размер около 2-Ю¹⁰ м. вДля длины 10~¹⁰ м обычно пользуются особой единицей - ангстремом (А). Пользуясь этим языком, мы можемв сказать, что диаметр атомов в зеленом пигменте составляет около 2 А.
Размер атомов в вольфрамовом острие, определенный с помощью ионного микроскопа, оказывается приблизительно таким же. Зная увеличение микроскопа, мы можем из фотографии, приведенной справа внизу, определить расстояние между углами атомных плоскостей в вольфрамовом острие. Затем, исходя из модели, иллюстрирующей расположение атомов в вольфрамовом острие, мы можем оценить атомные размеры. Мы снова получим те же 1 или 2 А. Совпадение атомных размеров, полученных этим способом и при изучении зеленого пигмента с помощью рентгеновских лучей, позволяет нам быть уверенными в том, что оба метода дают правильные результаты.
Ни то, ни другое измерение в отдельности не дает нам уверенности в том, что атомы реально существуют. Для такого вывода недостаточно даже этих двух методов, вместе взятых. Однако в настоящее время имеется столь много самых разнообразных измерений атомных размеров (и все они дают несколько ангстрем), что теперь мы располагаем целой массой совершенно убедительных доказательств существования атомов. Со многими из этих доказательств мы ознакомимся в конце этой главы, но было бы немыслимо даже перечислить все доказательства, которые имеются в распоряжении физиков. Атомы существуют совершенно реально, и все они имеют приблизительно один и тот же размер.