Что такое жидкость

В качестве краткого определения жидкости можно написать следующее: "Жидкость - промежуточное состояние между кристаллом и газом". В кристаллических веществах - четко выраженная структура (т.е. положение частиц, составляющих кристалл, относительно друг друга), в газе структура совершенно отсутствует, а жидкость в этом плане занимает промежуточное положение. В кристаллах молекулы сильно взаимодействуют друг с другом, в газах это взаимодействие столь мало, что им часто попросту можно пренебречь, жидкости же по энергии межмолекулярного взаимодействия занимают промежуточное положение между кристаллами и газами.

Строение кристалла (полная упорядоченность) и газа (полный беспорядок) ученые представляли себе достаточно четко едва ли не в античные времена. А вот с жидкостями дело застопорилось. Установить, что они занимают промежуточное положение между кристаллами и газами, было несложно - этот факт лежал, так сказать, на поверхности. А вот нырнуть вглубь оказалось делом непростым. Только XX век (и даже не первые его десятилетия) внес некоторую, впрочем, довольно относительную ясность в вопрос, что такое жидкость.

Одним из наиболее типичных признаков кристаллического вещества является строго определенная форма, которую оно без внешних воздействий не изменяет. Жидкость послушно принимает форму того сосуда, в который она помещена, причем жидкость стремится занять как можно меньший объем. Газ же, предоставленный сам себе, неудержимо стремится разбежаться, т.е. увеличить объем.

В газе, жидкости и в кристалле молекулы безостановочно движутся. Характер этого движения самым определяющим образом связан с агрегатным состоянием, в котором находится вещество. Частицы, образующие кристалл, не обладают никаким поступательным движением, они только, подобно маятнику, колеблются относительно какого-то положения равновесия. В газе, напротив, молекулы движутся весьма привольно. Длина свободного пробега молекулы газа (т.е. средняя протяженность пробега молекулы до столкновения её с другой молекулой) составляет целых 10^-4 мм, одну десятитысячную долю миллиметра. Это очень много. Ведь 10^-4 мм примерно в тысячу раз больше диаметра молекулы. В жидкости же молекулы могут передвигаться разве только на один "шаг" - на расстояние, равное диаметру молекулы (10^-7 мм).

Знакомство с литературой, посвященной строению жидкости, быстро обнаруживает, что существуют точки зрения, которые, кажется, исключают друг друга. В одних статьях и книгах пишут, что жидкость - это почти что кристалл: такая же строгая структура и энергия взаимодействия между частицами, молекулами, весьма близко приближающаяся к энергии взаимодействия между частицами в кристаллах, но значительно превышающая энергию взаимодействия в газе. Авторы других научных работ отстаивают точку зрения, согласно которой жидкости своими родственными узами связаны вовсе не с кристаллами, а с газами. Действительно, частицы в жидкости движутся почти так же хаотично, как и в газе. А при достаточно высокой температуре (своей для каждого вещества), называемой критической, и вовсе исчезает различие между газом и жидкостью. Кто же прав? Правы все.

При температурах, близких к температуре замерзания, жидкость по своим свойствам приближается к кристаллу; при температурах, близких к температуре кипения, - к газу.

Но как бы то ни было, жидкость не хаос. И это с бесспорностью доказали эксперименты по рассеянию жидкостями рентгеновских лучей. Если в образце исследуемого вещества молекулы ориентированы как попало, хаотично, то они будут рассеивать направленные на них рентгеновские лучи тоже как попало: в рассеянном излучении не будут наблюдаться никакие закономерности. В рассеянии рентгеновских лучей от газа, понятно, никаких закономерностей не обнаруживается. В случае же кристаллов закономерности рассеяния, и это тоже понятно, проявляются очень отчетливо. Эти закономерности тесно связаны со строением кристалла. Именно поэтому рентгенография стала мощным средством изучения кристаллов. В рассеянном от молекул жидкости рентгеновском излучении закономерности обнаруживаются не так отчетливо, как у кристаллов, но достаточно четко, во всяком случае, для того чтобы говорить о закономерностях в строении жидкости. Изучением рассеяния рентгеновских лучей жидкостями много занимался советский физик В.И. Данилов, который начиная с 30-х годов последовательно изучал с помощью рентгенографии структуру многих типов жидкости. В научной литературе, посвященной жидкостям, часто можно встретить термины "ближний порядок" и "дальний порядок". Кристаллы являют собой пример дальнего порядка. Действительно, на любом отдалении от какой-либо структурной ячейки кристалла можно встретить точно такую же ячейку. Не то в жидкости. Правильная упорядоченность сохраняется лишь на очень малых расстояниях, соизмеримых с диаметром молекулы. Вот почему порядок в жидкости - ближний. Ну а в газе, как понятно, нет никакого порядка - ни ближнего, ни тем более дальнего.

Литература