Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 4. Поняття про різні види матерії. Будова речовини
На наш погляд, на поданій світлині кмітливий дослідник може знайти всі три види матерії, що відомі вченим. Зіграймо у квест? Запропонуйте свої версії після опрацювання цього параграфа.
1. Які існують види матерії?
Почувши слово «матерія», напевно, багато хто з вас уявить якусь тканину. Проте для вчених це поняття означає дещо інше. Матерія — це все те, що незалежно від нашої свідомості існує у Всесвіті. Таке широке визначення дає змогу віднести до матерії всі складові — і ті, що вже відомі науці, й ті, які ще будуть відкриті в майбутньому. Перший вид матерії — це вже відома вам речовина.
Розгляньте рисунок. Із якої речовини складається сніговик? А які речовини, на ваш погляд, входять до складу телефону?
У XIX ст. вчені встановили, що, крім речовини, існує ще один вид матерії, а саме — поле. Наприклад, за допомогою електромагнітного поля (електромагнітних хвиль) ми маємо змогу спілкуватися мобільним телефоном, капітан корабля може з’ясувати координати свого судна тощо. Поле — це другий вид матерії.
Наприкінці XX ст. науковці додали до переліку видів матерії третій вид, а саме матеріальні сутності під назвами «темна матерія» і «темна енергія»*. Фізичну природу цих сутностей доки не встановлено.
* До розмови про темну енергію повернемося після ознайомлення з поняттям «енергія».
Фізики стверджують, що темна матерія точно існує, але її неможливо побачити. Згадаймо фантастичного персонажа твору англійського письменника Герберта Велза «Невидимець». Людину-невидимку ніхто не бачить, але ті, хто перебуває поблизу, можуть її торкнутися, вона залишає сліди на м’якій поверхні, нарешті, невидимця змогли побачити, коли на нього став падати сніг.
Може, й у випадку темної матерії потрібно застосувати інші методи і прилади, якщо традиційні не працюють. На жаль, усі прилади безсилі, а нового приладу ще не винайшли. Отже, чекаємо на нове покоління дослідників.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Час від часу з'являються публікації про те, що Великий адронний колайдер (ВАК) може створити чорні діри, які «проковтнуть» Землю. Чи є така загроза насправді? Аналізуймо разом. Досліди на ВАК дуже коштовні, тож невже немає експертизи до їх початку? Уряд будь-якої країни, що фінансує ВАК, миттєво припинить підтримку за наявності загрози. Отже, нам вистачило здорового глузду для виявлення істини. Але справжня зброя для боротьби з хибною інформацією — це знання, зокрема фізики.
2. Яка різниця між мікро-, макро- та мегасвітом?
Весь час, скільки існує фізика, вчені прагнуть винайти універсальний (єдиний) закон, якому б підкорялися всі об’єкти у Всесвіті. На жаль, поки цього не сталося. Отже, фізики поділили Всесвіт за розмірами на умовні частини, кожна з яких має свою специфіку.
Найбільш звичними для нас розмірами є розміри предметів, що нас оточують: будівлі, автомобілі, шкільні підручники. А ще лани, річки та гори, міста та селища, потяги та літаки тощо. Частина світу, до якої належать ці об’єкти, отримала назву макросвіт.
Зорі, галактики — це світ дуже великих розмірів, які вимірюються в мільйонах кілометрів, світлових роках, парсеках. Тому він отримав зрозумілу назву мегасвіт.
Будь-яка речовина складається з дуже малих частинок — атомів і молекул. Світ таких частинок і частинок, із яких складаються атоми, отримав назву мікросвіт. Відповідно, макросвіт — це світ фізичних тіл із великими порівняно з мікросвітом розмірами.
Підкреслимо, що цей розподіл є умовним. Адже мега-, макро- й мікросвіти — це єдиний Всесвіт, у якому ми живемо.
3. Чим відрізняються атоми та молекули?
Перш ніж вивчати будову молекули, згадаємо українську абетку. Вона має лише 33 букви, проте ви може скласти з них тисячі слів. Проведіть аналогію: буква — атом, слово — молекула. Кожне слово — це певна комбінація букв. Так само кожна молекула — це певна комбінація атомів.
Використовуючи цю аналогію, розглянемо дві різні молекули — мурашиної кислоти і метанолу (рис. 4.2). Молекула мурашиної кислоти є аналогом слова, яке складається з 5 букв, а молекула метанолу є аналогом іншого слова, яке складається із 6 букв. Отже, кожна нова комбінація навіть тих самих видів атомів відповідає новій молекулі.
Таким чином, із 118 видів атомів можна скласти мільйони різноманітних молекул і, відповідно, отримати мільйони різноманітних речовин.
Рис. 4.2. Схематичне зображення молекул деяких речовин: а — мурашиної кислоти (НСООН); б — метанолу (СН3ОН). Сині кульки — моделі атомів водню, сірі — вуглецю, червоні — кисню
Розгляньте рис. 4.2. Скільки видів атомів містить кожна молекула? Яка кількість атомів у кожній молекулі? Чи може молекула складатися з однакових атомів? Чи може в різних молекулах бути однаковою кількість атомів?
4. Наскільки малим є атом і як він побудований?
Характеризуючи об’єкти мікросвіту, вчені використовують числа, що суттєво відрізняються від тих, з якими людина має справу в повсякденному житті. Так, розмір атома приблизно дорівнює 0,000 000 000 1 м. Щоб уявити, наскільки малим є це значення, наведемо приклади.
Приклад 1. Якщо з балона зі стисненим повітрям через мікроскопічну тріщину буде витікати щосекунди мільярд молекул, то за 650 років маса балона зменшиться лише на 1 мг.
Приклад 2. Якщо всі атоми, з яких складається металева кулька радіусом 2 мм, розмістити один за одним, то отримаємо ланцюжок завдовжки як відстань від Землі до Сонця.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Близько 20 років тому було створено найменший у світі «автомобіль» — наноавтомобіль. Він справді дуже малий, бо складається лише з однієї молекули, але має всі атрибути справжнього авто: перш за все — «колеса» та можливість рухатися, якщо його розмістити на поверхні золота за температури 200 °С. Ідея зацікавила інших дослідників, вони створили другу, третю «моделі», а згодом навіть влаштували перегони розроблених наноавтомобілів.
Атом, як і молекула, має складну структуру. Атом являє собою ядро, оточене легкими частинками — електронами. Діаметр ядра атома набагато менший, ніж діаметр власне атома, — приблизно у стільки разів, у скільки розмір горошини менший за розмір футбольного поля. Внутрішню будову атома наочно описати неможливо, тому для пояснення процесів, які відбуваються в атомі, створено його фізичні моделі, наприклад планетарну модель атома (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Планетарна модель атома. Насправді відстань від ядра до електронів перевищує розмір ядра в 100000 разів
5. А чи можна сховатися поміж молекул (атомів)?
Як ви вважаєте: якщо змішати 100 мл води та 100 мл спирту, яким буде об’єм суміші? Насправді він буде меншим, ніж 200 мл! Річ у тім, що між молекулами існують проміжки і в ході змішування рідин молекули води потрапляють у проміжки між молекулами спирту і навпаки.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: прозорий стаканчик, пшоно, горох.
Змоделюйте дослід зі змішування води й спирту. Для цього наповніть стаканчик наполовину пшоном, додайте горох. Закрийте стаканчик рукою і добре потрусіть. Прокоментуйте отриманий результат.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Що таке матерія? 2. Які існують види матерії? 3. Яка різниця між мікро-, макро- та мегасвітами? 4. Скільки видів атомів відомо науці? 5. Чим пояснюється той факт, що існують мільйони різних речовин? 6. Що ви знаєте про розмір атомів і молекул? 7. Як можна довести, що між частинками речовини існують проміжки?
ВПРАВА № 4
1. Чи можемо ми змінити об’єм тіла, не змінюючи кількості молекул у ньому? Якщо так, то як це зробити?
2. Обчисліть, скільки приблизно молекул можна розмістити вздовж відрізка завдовжки 0,5 мм. Вважайте, що діаметр молекули дорівнює 0,000 000 000 1 м.
3. Площа плівки, утвореної на поверхні води краплею олії об’ємом 0,005 мм3, не може бути більшою за 50 см2. Який висновок щодо розміру молекул олії із цього випливає?
Ключові терміни
Матерія • Мікро-, макро-, мегасвіт • Молекули • Атоми
