Sissejuhatus molekulaar­füüsikasse

Tänapäeval ei kahtle vist ükski inimene selles, et aine koosneb molekulidest ja aatomitest. Otsene tõestus selle kohta saadi aga alles 20. sajandi lõpupoole. Nüüdisajaks on mikro­skoopia meetodid arenenud tasemeni, mis võimaldavad üksikuid aatomeid „näha”, s.t saada neist visuaalseid kujutisi. Kuni aatomite „nägemiseni” oli aine molekulaarne ehitus rangelt võttes vaid hüpotees. Tõsi küll, selle hüpoteesi paika­pidavuse kohta leidus hulgaliselt kaudseid kinnitusi. Esmalt suudeti elektron­mikroskoopide abil eristada valgu­molekule, mis on vee molekulidest sadu tuhandeid kordi suuremad. Aine molekulaarset ehitust kinnitab kaudselt ka tõsiasi, et sellele hüpoteesile tuginevad teooriad ei ole läinud praktikaga iialgi vastuollu.

Hüpotees aine atomaarsest ehitusest esines esma­kordselt 5. sajandil eKr Vana-Kreeka filosoofide Leukippose ja Demokritose töödes. Sarnaseid ideid propageerisid hiljem ka filosoofid Epikuros (341–270 eKr) ja Lucretius (1. saj. eKr). Sel ajal ei olnud taoliste oletuste tegemiseks muidugi mingit teaduslikku alust. Tol ajal valitses seisu­koht, et ainet võib jagada kuitahes väikesteks osadeks. Eespool nimetatud filosoofidele – nn atomistidele tundus see idee absurdsena. Nemad tõidki sisse aatomi (kr ατομος – jagamatu) mõiste.

16.–17. sajandiks oli teadus arenenud niikaugele, et küsimus aine jagatavusest muutus oluliseks ka füüsikutele ja keemikutele. Teaduslik hüpotees aine molekulaarse ehituse kohta võeti kasutusele prantsuse füüsiku Gassendi, inglise teadlase Newtoni ja vene teadlase Lomonossovi töödes. Nendes töödes käsitati ainet mitte kui pidevat kesk­konda, vaid kui süsteemi, mis koosneb paljudest jagamatutest osakestest – aatomitest. Tänapäeva molekulaar­kineetilise (molekulide liikumist käsitleva) teooria välja­töötamisse andis olulise panuse Ludwig Boltzmann (1844–1906). Molekulaar­kineetilisel teoorial oli aga ka hulgaliselt vastaseid. Üks ägedamaid neist, Wilhelm Ostwald, loobus aatomite olemas­olu eitamisest alles 1912. aastal. Kuni selle ajani kaitses see keemikuna tuntud teadlane, Nobeli preemia laureaat ja ka Tartu Ülikooli õppejõud nn energetismi­teooriat. Selle teooria sisu oli küllaltki arusaamatu, kuid molekulide ja aatomite olemasolu see igal juhul eitas.

Koolikeemias öeldakse, et molekul on vähim aine hulk, millel on sama­sugused keemilised omadused kui ainel tervikuna. Füüsika­kursuses analoogiliselt väita ei saa. On arusaadav, et üksikul molekulil ei saa olla sama­suguseid füüsikalisi omadusi nagu suurel aine­kogusel. Mõelgem kas või sellistele omadustele nagu kõvadus, läbi­paistvus, elektri­takistus jne. Molekulaar­füüsikas nimetatakse molekuliks sellist aine­osakest, mis osaleb molekulaar­liikumises ehk soojus­liikumises. Seega võib füüsikas molekuliks nimetada molekuli keemilises mõttes ja samuti ka üksikut aatomit või iooni. Väljend „ühe­aatomiline molekul” on füüsikas täiesti lubatav, kuna ka aatomi kohta kasutatakse üldnimetust „molekul”.

Püüame nüüd arvutuslikult hinnata, kui suur on molekuli mass ja läbimõõt. Võtame näiteks vee molekuli. Keemiast teame, et vee molekul­mass on 18 süsiniku­ühikut. Ühe süsiniku­ühiku mass on aga 1,660 · 10^–27 kg. Korrutades süsiniku­ühiku massi 18-ga, saamegi vee molekuli massi kilogrammides.

Molekuli suuruse hindamiseks leiame, kui suur on kuup, millesse mahub parasjagu üks vee molekul. Eeldame, et vees on molekulid „pakitud” tihedalt külg külje kõrvale (joon. 1.1.3). Selles veenab meid tõsiasi, et vesi on väga raskesti kokku­surutav. Tegelikult molekulid vedelikus nii korra­päraselt ei paikne, kuid mõõtmete hindamise seisukohalt ei ole see oluline.

Leiame nüüd ühe kilomooli vee (M = 18 kg) ruumala. Selleks jagame kilomooli vee massi tihedusega $$ (\varrho =1000\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}})$$. Kui saadud ruumala jagada molekulide arvuga ühes kilomoolis (Avogadro arvuga N_A = 6,02 · 10²⁶ molekuli/kmol ehk kmol^–1), saamegi kuubi ruumala, millesse mahub parasjagu üks vee molekul. Olles leidnud kuubi ruumala, saame leida ka kuubi serva pikkuse d, võttes kuubi ruumala väärtusest kuupjuure. Tulemus näitab, et molekuli läbimõõt on suurus­järgus 10^–10 m. Sellises suurus­järgus on enamiku molekulide mõõtmed. Ülisuured valgu­molekulid on muidugi palju suuremad.

Nüüd aga räägime füüsika sellest osast, mis tegeleb molekulide liikumisega. Füüsika valdkond, mida käsitleme õpiku esimeses peatükis, kannab nimetust gaaside molekulaar­kineetiline teooria. See teooria seletab gaaside omadusi, lähtudes järgmistest põhilistest eeldustest:

1. gaas koosneb molekulidest,
2. molekulid on pidevas kaootilises liikumises,
3. molekulide vahel on vastastikmõju.

Miks alustasime just gaasidest? Teaduses püütakse alati uurimist alustada võimalikult lihtsamini uuritavatest objektidest. Molekulaar­kineetilise teooria seisukohast võttes on gaas kõikidest agregaat­olekutest kõige kergemini uuritav. Antud gaasi kogus võib täita mistahes ruumala, gaas on kergesti kokku­surutav, lihtne on mõõta rõhku, gaasi temperatuuri jne. Seetõttu alustasid ka molekulaar­kineetilise teooria rajajad (Boltzmann jt) oma uuringuid just gaasidest.