При изучении взаимодействия частиц вещества задача состоит в основном в осознании почти очевидных истин: между атомами и молекулами вещества существуют силы притяжения и силы отталкивания. Понять факт существования каждой из сил в отдельности очень просто, а осознать, что обе эти силы существуют и действуют одновременно, оказывается трудно. О существовании сил притяжения между атомами и молекулами наглядно свидетельствует тот факт, что твердые тела очень трудно разделить на части. Медную проволоку диаметром 1 мм не разорвать руками. Существование сил отталкивания между атомами и молекулами обнаруживается при столкновениях любых твердых тел. Когда один стальной шар сталкивается с другим, они отталкиваются друг от друга в противоположные стороны. Это происходит потому, что атомы железа одного шара действуют силами отталкивания на атомы железа другого шара. Далее нужно разобраться, как между атомами и молекулами действуют одновременно и силы притяжения, и силы отталкивания. Одновременное существование сил притяжения и сил отталкивания между атомами и молекулами можно пояснить такой упрощенной моделью. Два шара соединены тонкой резинкой, сила упругости которой уменьшается по мере растяжения из-за уменьшения диаметра резинки. Действие этой резинки на шары при растяжении моделирует действие сил притяжения между молекулами, убывающих с увеличением расстояния (рис. 61).
Рис. 61
Кроме того, на резинку надета короткая стальная пружина, которая препятствует сближению шаров силами отталкивания на расстояниях, меньших длины пружины (рис. 62).
Рис. 62
Действия противоположно направленных сил притяжения и отталкивания уравновешиваются на таком расстоянии между шарами, на котором модули этих сил равны (рис. 63).
Рис. 63
После качественного объяснения особенностей взаимодействия атомов и молекул можно рассмотреть графики зависимости сил от расстояния между частицами, представленные на рисунке 26.1 учебника. Перед проведением опыта со свинцовыми цилиндрами по обнаружению межатомных сил притяжения можно напомнить, что проблема существования межатомных сил притяжения уже обсуждалась при изучении сил трения, где мы обращали внимание на тот факт, что межатомные силы притяжения действуют на очень коротких расстояниях, поэтому для обнаружения их действия при соприкосновении твердых тел нужно изготовить очень гладкие поверхности без загрязнений. Такие поверхности мы можем приготовить, очистив специальным ножом поверхности двух свинцовых цилиндров. Для этого цилиндры поочередно вставляют в обойму с ножом и вращают с прижиманием к ножу. При ознакомлении с особенностями сил взаимодействия частиц вещества у учащихся естественно возникает вопрос: если любые атомы притягиваются друг к другу, то почему все газы в природе до сих пор не соединились в твердые или жидкие тела? Для ответа на этот вопрос можно выполнить демонстрации особенностей действия молекулярных сил взаимодействия на простых моделях. Для этого нужно изготовить модели молекул, обладающих способностью притягиваться друг к другу на небольших расстояниях и удерживаться вместе, но при столкновениях на больших скоростях отталкиваться друг от друга. Самое простое — это провести опыт с шарами из пластилина, которые будут служить моделями молекул. Если одну такую молекулу катить с небольшой скоростью к другой, то после столкновения они слипнутся и будут удерживаться вместе, как молекулы в твердом или жидком теле. А если одну такую молекулу катить с большой скоростью к другой, то после столкновения они не будут удерживаться вместе, а разлетятся в разные стороны. Те же самые силы притяжения не могут удержать быстро движущуюся молекулу. Из этих опытов можно сделать вывод, что при достаточно больших скоростях теплового движения, т. е. при достаточно высокой температуре, любое вещество должно превратиться в газообразное. А при достаточно низкой температуре любое вещество должно превратиться в жидкое или твердое. Какие же значения температуры достаточно большие и какие достаточно низкие? Из-за различия сил молекулярного притяжения у разных веществ различными оказываются и значения температур, при которых кинетическая энергия теплового движения частиц вещества становятся достаточной для преодоления действия сил молекулярного притяжения. Вывод о том, что силы молекулярного или межатомного притяжения зависят от вида атомов и молекул, можно сделать из очень простых опытов. Опустим в воду стеклянную пластинку и вынем ее из воды. Стеклянная пластинка оказывается покрытой слоем воды. Этот результат легко объяснить действием на воду молекулярных сил притяжения со стороны атомов вещества стекла. Но после такого погружения в воду стеариновая свеча оказывается сухой. Чтобы понять результат опыта со свечой, нужно вспомнить, что на каждую молекулу воды, находившуюся около поверхности свечи, действуют не только силы молекулярного притяжения со стороны молекул вещества свечи, но и силы молекулярного притяжения со стороны молекул воды. Так как молекулы воды не остались на поверхности свечи, значит, силы взаимного притяжения молекул воды больше сил притяжения со стороны молекул вещества свечи. Возвращаясь к опыту со стеклянной пластинкой, можно уточнить вывод: молекулярные силы притяжения молекул воды атомами вещества стекла превышают силы взаимного притяжения молекул воды. Различие значений молекулярных сил притяжения между атомами и молекулами разных веществ открыто не только учеными-физиками. Особенности молекулярных сил проявляются на практике у многих растений и животных. Утренняя роса и капли дождя не покрывают сплошь листья растений и цветы, а собираются в капельки, очень слабо связанные с поверхностью растений и легко скатывающиеся с листьев на землю. Вода не смачивает листья, так как растения имеют специальные приспособления, чтобы не образовывалась пленка воды. Если листья покрывались бы даже тонким слоем воды, то процесс дыхания растений был бы невозможен. Кроме того, большое количество воды на листьях утяжелило бы ветви, и некоторые из них могли бы обломиться. Защищаются от смачивания водой все водоплавающие птицы, недаром появилось выражение «как с гуся вода». Жуки-водомерки свободно бегают и катаются, как конькобежцы, по воде, только немного прогибая ее поверхность.
