Может показаться, что в кристаллическом теле, где господствует полный порядок, где каждая частица занимает определенное место, нельзя говорить о движении частиц. Однако это не так. И в кристаллах частицы находятся в вечном движении.
Какое же движение могут совершать частицы, занимающие неизменное положение?
Многие из вас помнят детскую загадку: «Что весь день идет, а с места не сходит?» Разгадка — «часы».
Действительно, взгляните, например, на часы-ходики. Неутомимо снует взад-вперед маятник ходиков, отсчитывая время. Вправо, влево, снова вправо и снова влево движется укрепленный на маятнике кружок.
Так же, как маятник, колеблются бесчисленные частички, образующие кристалл.
При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул.
Правда, и в этом случае фотография получится, вероятно, несколько «смазанной», подобно тем неудачным снимкам, которые так огорчают новичков, пытающихся фотографировать движущиеся предметы с сравнительно большой экспозицией.
Если мы подсчитаем путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отрезки, пройденные при отдельных колебаниях, совершенных ими за это время, то заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, следовательно, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.
Таким образом, и в твердых телах, так же как и в жидкостях и в газах, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной «тепловой материи»; мы можем вместе с Ломоносовым сказать: «теплота состоит во внутреннем движении материи».
Итак, если у газов молекулы, в зависимости от их строения, могут двигаться или только поступательно, или же сочетая поступательное движение с вращением, то частицы твердых тел только колеблются.
Это единообразие движения частиц всех твердых тел должно сказаться на их теплоемкости.
Опираясь на учение об атомах, можно предположить, что если взять различные твердые тела в таких количествах, чтобы все они содержали одинаковое число атомов, то их теплоемкости будут одинаковыми. Как показывает опыт, при не слишком низких температурах это предположение полностью оправдывается. При одинаковом числе атомов в твердых телах их теплоемкости одинаковы.
Частицы твердых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких «кочующих» частиц невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.
При повышении температуры количество «кочующих» частиц в твердом теле возрастает.
Каждой «кочующей» частице соответствует пустующий узел в кристаллической решетке. Чем больше частиц ведет «кочевой» образ жизни, тем больше в кристаллической решетке узлов, не занятых частицами.
С повышением температуры, с одной стороны, увеличивается частота и размах колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку, а с другой — растет количество пустующих узлов. Это приводит к тому, что при какой-то определенной достаточно высокой температуре порядок частиц, свойственный кристаллу, нарушается, кристаллическая решетка перестает существовать, твердое тело плавится, превращаясь в жидкость.
Это происходит с каждым веществом при совершенно определенной, отличной от других веществ температуре. Именно поэтому химики часто, желая узнать, с каким веществом они имеют дело, измеряют его температуру плавления.
При любой температуре среди бесчисленного числа частиц, образующих кристаллическое твердое тело, имеются частицы как с малой, так и с большой кинетической энергией.
Если кинетическая энергия частицы достаточно велика, то частица может оторваться от поверхности твердого тела и перейти в окружающий ее газ.
Переход твердого вещества непосредственно в газ, минуя жидкость, называется сублимацией.
Особенно легко сублимируются нафталин, иод. Этим объясняется пахучесть этих веществ.
Сублимируется и твердая углекислота. Отнимая тепло от окружающих предметов, она сама нагревается и сразу превращается в бесцветный газ, не образуя ни одной капли жидкости. Поэтому-то твердую углекислоту и называют сухим льдом.
