Частички вируса, которые можно увидеть с помощью электронного микроскопа, гораздо больше, чем атомы. Даже вельветообразные слои, изображенные на рис. 7.14, удалены друг от друга на расстояние многих атомов. Из этих фотографий, однако, следует, что существует несколько видов строго периодических картин строения вещества, отражающих упорядоченное расположение естественных единиц структуры.
Мы можем изучить эти структуры совершенно другим методом. Предположим, что мы попытались бы разрезать образец исследуемого материала на всё меньшие и меньшие кусочки до тех пор, пока не дойдем до естественных единиц. К сожалению, однако, размеры этих естественных единиц настолько малы (10^-9 м или меньше), что такой процесс измельчения вскоре должен был бы прекратиться. Таким методом мы не сможем дойти до размеров естественных единиц. У нас нет для этого достаточно острого ножа, и мы бы не смогли ни удержать, ни рассмотреть такие маленькие кусочки.
Существуют, однако, менее наглядные способы измельчения вещества до размера естественных единиц. Мы можем, например, попытаться расплющить образец вещества и, сделав его возможно более тонким, довести его толщину до размеров естественной единицы. К сожалению, однако, такое расплющивание является слишком грубым процессом. Даже наиболее искусные золотобойщики, изготовляющие тонкие листы золота для блестящих букв в витринах магазинов, должны останавливаться, когда толщина листка достигает приблизительно 2000 А. Эта толщина определяется не размером естественных единиц золота, а трудностью изготовления таких тонких листочков.
Существуют способы получения гораздо более тонких слоев вещества. Мы опишем один из них, который вы сами можете осуществить в вашей школьной лаборатории. Образец жирного вещества, называемого стеариновой кислотой, растворяется в каком-нибудь летучем растворителе, например в бензоле. Разбавляя раствор несколько раз растворителем, можно получить очень слабый раствор, содержащий, однако, совершенно определенное количество твердого растворенного вещества в каждом кубическом сантиметре раствора. Если теперь капнуть очень маленькую каплю этого раствора на поверхность чистой воды, то эта капля мгновенно растечется по поверхности воды; растворитель улетучится и останется стеариновая кислота. Произойдет замечательная вещь. На поверхности воды будет плавать тонкий слой стеариновой кислоты, но этот слой дальше растекаться уже не будет. Он будет обладать при данном количестве стеариновой кислоты максимальной площадью; это означает, что он должен обладать при этом минимальной толщиной. Кроме того, если мы будем вносить на поверхность воды различное число капель, то мы найдем, что эта толщина будет оставаться одной и той же. Эта толщина получится сама собой и будет определяться размером естественной единицы стеариновой кислоты.
Естественная минимальная толщина слоя стеариновой кислоты должна быть по меньшей мере такой же, как и величина одного измерения (например, длины) естественной единицы стеариновой кислоты. Насколько она мала? Если мы растворим 0,1 см³ стеариновой кислоты в 1 л бензола, мы должны получить только 10^-4 первоначального количества, или 10-5 см³ стеариновой кислоты в каждой капле раствора (в 1 см³ содержится около 10 капель). Одна капля такого раствора образует на поверхности воды слой площадью около 50 см². Разделив на эту площадь объем стеариновой кислоты, содержащейся в капле, помещенной на воду, мы получаем толщину слоя около 20 А, или 2-10^-9 м. Это и есть естественная предельная толщина.
Представим себе модель такого слоя. Не состоит ли он из маленьких кубиков с ребром 20 А, каждый из которых представляет собой естественную единицу стеариновой кислоты? Оказывается, что такое предположение представляет собой лишь первое приближение. Лучшим приближением является предположение о том,в что слой представляет собой собрание цилиндров с диаметром около 5 А и длиной немного большей, чем 20 А. Все эти цилиндры расположены наклонно по отношению к поверхности воды. Такая более точная картина основана на подробном изучении механических свойств слояу на исследованиях стеариновой кислоты с помощью методов химии, рентгеновских лучей, электронного микроскопа и другими методами.
Стеариновая кислота может быть разложена на углерод, водород и кислород. Естественная единица стеариновой кислоты сама по себе не является атомом химического элемента. Она представляет собой группу атомов трех различных элементов. Такую группу, являющуюся естественной единицей сложного химического вещества, мы обычно называем молекулой. Таким образом, пленку стеариновой кислоты толщиной в одну молекулу можно назвать мономолекулярным слоем, или просто моно-слоём.
Мы определили размеры молекулы стеариновой кислоты. Можем ли мы теперь использовать монослои для определения размера атомов? Химик может выделить молекулу, а специалист по рентгеновским лучам может заглянуть внутрь этой молекулы точно так же, как это было сделано при изучении зеленого красителя - фталоцианина меди (рис. 7.14). Этим путем мы у знаем, что молекул а стеариновой кислоты представляет собой длинную цепь из атомов углерода, окруженных атомами водорода. Каждый атом углерода занимает вдоль цепи около 1,5 А. В молекуле стеариновой кислоты имеется восемнадцать атомов углерода; но из-за того, что цепь расположена немного наклонно, а не строго перпендикулярно к поверхности воды, длина восемнадцати углеродных атомов, вытянутых в одну линию, оказывается немного больше, чем толщина монослоя.
Стеариновая кислота не является единственной кислотой, построенной таким образом. Химики могут приготовить подобные кислоты с молекулами самрй различной длины. Изучая монослои этих разных кислот, мы получаем еще и другие данные о размерах атомов. Любая молекула из целого ряда таких кислот будет занимать одну и тувже площадь на поверхности воды, равную почти совершенно точно 22 А 2. Однако толщина мономолекулярных слоев изменяется совершенно закономерным образом. Существует целая последовательность толщин, увеличивающихся на одну и ту же величину, равную почти точно 1,43 А . Слои различной толщины соответствуют цепям, состоящим из атомов углерода, и каждая цепь длинней предыдущей на один атом углерода. Длина цепи изменяется от 14 до $4 атомов углерода без ощутимого изменения площади молекул.
И здесь мы снова получаем новые доказательства, указывающие на то, что размер атомов составляет около 2 А.
Образование видимых монослоев приводит нас к выводу, что существуют и другие монослои, обнаруживаемые с большим трудом, но, вероятно, присутствующие на любой поверхности жидкости или твердого тела. То, что мы называем чистой поверхностью стали, на самом деле покрыто различными монослоями, многие из которых образованы газами из атмосферы. Способность поверхностей покрываться такими тонкими слоями является их общим свойством, и в значительной степени именно с нею связаны своеобразные закономерности поверхностного трения и электрических контактов, смачивания твердых тел, а также свойства смазочных материалов. "Гладкая" и "чистая" поверхность в действительности редко бывает и гладкой, и чистой в масштабе толщин монослоев, и поэтому, если не принять особых мер предосторожности, привести в контакт две "гладкие" поверхности можно только совершенно случайно. Большинство поверхностей покрыто участками монослоев газов, входящих в состав воздуха, точно так же как человек, выходящий из воды, весь покрыт (но уже более толстыми) пленками воды.
Механические и химические свойства монослоев были предметом очень подробного изучения в течение 50 лет. Эти исследования относятся к области, лежащей на границе между физикой и химией. Ученые, изучающие эти вопросы, иногда называются физико-химиками. Их исследования монослоев привели нас к выводу, что когда мы измеряем толщину монослоя, мы измеряем естественную единицу вещества. Мы определяем при этом размеры молекул и даже атомов.