Число Авогадро – кількість структурних частинок, які містяться в одному моль будь-якої речовини.
Ми вже знаємо, що моль — це особлива лічильна одиниця для атомів і молекул. Але звідки люди дізналися, що в одному молі міститься саме 602 секстильйони 214 квінтильйонів 76 квадрильйонів частинок? Адже ніхто не може побачити окремі атоми неозброєним оком, а тим більше перерахувати їх поштучно.
Слід зазначити, що сам Амедео Авогадро цього числа ніколи не обчислював. У 1811 році він висловив лише дуже важливу ідею. Авогадро припустив, що однакові об’єми різних газів за однакової температури та тиску містять однакову кількість молекул. Саме ця ідея стала одним із фундаментів майбутньої атомно-молекулярної теорії та поняття моля.
Але залишалася головна загадка: якщо атоми настільки малі, що їх неможливо побачити, то як люди взагалі змогли порахувати їхню кількість у молі?
Як починали рахувати число Авогадро
Наприкінці XIX століття фізики вже розуміли, що число Авогадро має бути величезним. Але різні оцінки відрізнялися одна від одної досить суттєво. Потрібен був спосіб якимось чином зазирнути у світ атомів і отримати надійний результат. Для відповіді на це запитання науковцям знадобилося майже сто років.
На початку XX століття французький фізик Жан Батист Перрен вирішив використати явище, яке кожен може побачити власними очима. Якщо подивитися під мікроскопом на дуже дрібні частинки пилку або фарби, що плавають у воді, можна помітити дивний рух. Частинки безперервно смикаються в різні боки, ніби їх хтось штовхає. Це явище називається броунівським рухом.
Насправді частинки штовхають молекули води, які постійно рухаються через теплову енергію. Хоча самі молекули занадто малі, щоб їх побачити, їхню присутність можна виявити через рух більших частинок. Перрен ретельно вимірював цей хаотичний рух і порівнював результати з математичними розрахунками. Фактично він зробив те саме, що робить слідчий, коли не бачить злочинця, але за слідами визначає його зріст, вагу та напрямок руху.
Його дослідження стали першими по-справжньому переконливими доказами існування атомів і водночас дали одну з найточніших на той час оцінок числа Авогадро — приблизно 6,8 × 10²³ частинок. За цю роботу Перрен згодом отримав Нобелівську премію.
Дослід Роберта Міллікена
У 1909 році американський фізик Роберт Міллікен провів знаменитий дослід з краплями олії. Він розпилював крихітні краплинки між двома зарядженими пластинами й за допомогою електричного поля змушував їх висіти у повітрі. Цей експеримент, про який ми вже розповідали раніше, дозволив уперше дуже точно виміряти заряд одного електрона.
Під час досліджень електролізу вчені навчилися дуже точно вимірювати й загальний електричний заряд, який переносить один моль електронів. Цю величину назвали числом Фарадея.
Отже, коли стали відомі заряд одного електрона і заряд моля електронів, можна було дізнатись кількість частинок, поділивши одне на інше. Тобто, з великою точністю визначити число Авогадро.
Це схоже на ситуацію, коли ми знаємо вагу однієї монети та вагу величезного мішка монет. Поділивши одну величину на іншу, можна дізнатися, скільки монет лежить усередині.
Сучасні досліди
Згодом з’явився ще більш досконалий спосіб. Науковці навчилися використовувати рентгенівські промені для дослідження кристалів. Рентгенівське випромінювання має дуже коротку довжину хвилі, тому може взаємодіяти з окремими атомами. Коли рентгенівські промені проходять крізь кристал кремнію або алмазу, вони утворюють характерний візерунок. Аналізуючи його, фізики можуть визначити відстані між атомами з неймовірною точністю.
Фактично вчені отримали можливість зазирнути всередину кристала й порахувати атоми за їхнім розташуванням. Ніби виміряти атомну ґратку надзвичайно точною лінійкою.
Якщо відомо, скільки атомів міститься в маленькому кубику кристала, а також відома маса цього кубика, то можна обчислити кількість атомів у набагато більшому зразку речовини.
Саме такі вимірювання поступово зробили число Авогадро дедалі точнішим.
Протягом усього XX століття різні методи давали майже однаковий результат. Це було дуже важливо, адже незалежні експерименти підтверджували правильність один одного.
Число Авогадро – фундаментальна константа
Зрештою вчені настільки точно визначили цю величину, що у 2019 році вирішили змінити сам підхід до визначення моля. Якщо раніше число Авогадро визначали через масу еталонних зразків речовини, то тепер Міжнародна система одиниць закріпила число Авогадро як точне значення:
6,02214076 × 10²³ частинок на моль
Сьогодні це число більше не потрібно вимірювати заново. Воно стало однією з фундаментальних констант сучасної науки.
То ж число Авогадро — є результатом майже століття експериментів, під час яких учені навчилися вимірювати те, чого не можна побачити, зважувати те, чого не можна торкнутися, і рахувати те, що неможливо порахувати безпосередньо.