2Н2+O®2Н2О.
Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учёными была определена структура всех остальных известных молекул. Оказалось, что число атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях даже сотен и тысяч (у некоторых витаминов и белков).
Несмотря на всю важность полученных Авогадро результатов, у многих учёных XIX в. осталось чувство неудовлетворённости. Большинство из них продолжали сомневаться: а существуют ли на самом деле атомы? Ведь их по-прежнему никто не видел. Французский химик Жан Батист Дюма (1800-1884) писал: «Если бы это зависело от меня, я бы искоренил в науке слово атом, потому что я убеждён, что оно выходит за пределы проверяемого опытом, а химия никогда не должна выходить за границы проверяемого экспериментом».
Между тем в 1827 г. английский ботаник Роберт Браун (1773-1858) сделал открытие, которому было суждено сыграть очень важную роль в победе атомно-молекулярного учения. Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, он обнаружил странное явление: частицы взвеси непрерывно двигались, описывая самые причудливые траектории. Впоследствии беспорядочное движение взвешенных в жидкости мелких частичек другого вещества стали называть брауновским движением.
Понимание истинной причины этого движения пришло не сразу. Потребовалось почти полвека, прежде чем бельгийский учёный Иньяс Карбонелль предположил, что брауновское движение частицы вызвано ударами молекул окружающей жидкости.
В ходе изучения брауновского движения было установлено, что это движение универсально (поскольку наблюдалось решительно у всех веществ, взвешенных в распылённом состоянии в жидкости), непрерывно (в закрытой со всех сторон колбе его можно наблюдать неделями, месяцами, годами) и хаотично (беспорядочно). Причём движения даже тех брауновских частиц, которые располагались довольно близко друг к другу, были совершенно независимыми, так что не могло быть и речи о том, что их причиной служат какие-либо потоки в самой жидкости. Всё это свидетельствовало о том, что молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения.
Первая количественная теория брауновского движения появилась лишь в 1905 г. Её автором был Альберт Эйнштейн. Составив уравнение, описывающее брауновское движение, и решив его, учёный получил следующее соотношение: <х 2> = b(T/NA)t, (2) где <х> - среднее значение квадрата смещения брауновской частицы вдоль оси Х за время t, Т - абсолютная температура жидкости, b - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров брауновских частиц и вязкости жидкости, а NA - универсальная физическая константа, называемая постоянной Авогадро. Она показывает, во сколько раз атомная единица массы (а. е. м.) меньше одного грамма (г). Узнав, чему она равна, можно сразу же пересчитать все относительные массы атомов и молекул в граммах и килограммах.
Для определения постоянной Авогадро методом Эйнштейна достаточно измерить значения <x 2>, b, T, и t, и подставить их в формулу (2). «Не перестаёшь удивляться этому результату, - писал известный американский физик-теоретик Абрахам Пайс (родился в 1918 г.), - полученному как бы из ничего: приготовьте взвесь сферических частиц, размер которых довольно велик по сравнению с диаметром простых молекул, возьмите секундомер да микроскоп и, пожалуйста, определяйте постоянную Авогадро!»
Теория Эйнштейна нашла полное подтверждение в экспериментальных исследованиях французского физика Жана Батиста Перрена (1870 - 1942). Он начал проводить их в 1908 г. и продолжал затем в течение нескольких лет. Через равные промежутки времени (Dt = 30 с) Перрен отмечал последовательные положения брауновской частицы, видимые в поле зрения микроскопа, и соединял затем эти положения прямолинейными отрезками,
Измерения, проведённые Перреном, показали, что постоянная Авогадро выражается числом 6´10 23. Измерения этой постоянной другими методами привели к такому же результату. (Современное значение - . 6,022045(31)´10 23)
Определение постоянной Авогадро позволило рассчитать массу m0 отдельных атомов и молекул, а путём деления массы всего тела m на m0 - и число частиц в этом теле.
Ссылаясь на эксперименты по брауновскому движению, и Вильгельм Фридрих Оствальд был вынужден признать, что они «позволяют даже осторожному учёному говорить об экспериментальном подтверждении атомного строения вещества». Перрен за свои работы по брауновскому движению получил Нобелевскую премию. Подводя итоги в 1912 г., он заявил: «Атомная теория восторжествовала. Некогда многочисленные, её противники повержены и один за другим отрекаются от своих взглядов, в течение столь долгого времени считавшихся обоснованными и полезными».
Для определения размеров молекул был проведён ряд опытов. В одном из них, осуществлённом в начале XX в. английским физиком Джоном Уильямом Стреттом, лордом Рэлеем (1842-1919),на поверхность воды поместили каплю масла. Масло стало растекаться, образуя плёнку. По мере растекания масла плёнка становилась всё тоньше и тоньше. Через некоторое время растекание прекратилось. Рэлей предположил, что это произошло, когда все молекулы масла образовали мономолекулярный слой, т. е. плёнку толщиной в одну молекулу. Разделив объём капли на площадь образовавшегося пятна, физик нашёл диаметр одной молекулы масла. Он оказался равным примерно 1,6´10-9 м.
Атомы и молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом, так как разрешающая способность глаза не лучше 0,1 мм, что существенно больше размеров этих частиц. Оптические микроскопы позволяют достигнуть увеличения до 1500 крат, в результате чего становится возможным различать структуры с расстоянием между элементами до 2´10-7 м. Но даже такое расстояние намного больше атомных размеров.
Однако в середине XX в, удалось создать так называемые электронные микроскопы, в которых вместо световых лучей используются ускоренные пучки электронов. Они позволяют наблюдать и фотографировать изображения объектов при увеличении до 106 раз
Разрешающая способность таких микроскопов достигает десятых долей нанометра (от греч. «нанос» - «карлик» и «метрео» - «измеряю»; 1 нм = 10-9 м), благодаря чему стало возможно фотографировать изображения атомарных структур. Человеку удалось увидеть то, что 2,5 тыс. лет казалось принципиально недоступным познанию.
Наука не стоит на месте. Появляются сканирующие микроскопы, в которых датчиком наблюдательного устройства является остро заточенная игла, перемещающаяся над изучаемой поверхностью и реагирующая на изменение силы притяжения к её атомам или молекулам. Их разрешающая способность может составлять уже сотые доли нанометра. Наблюдение структур с масштабами порядка нанометра и менее делает возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. Роль проводов в подобных структурах выполняют химические связи, а элементами таких «молекулярных компьютеров» становятся соединённые этими связями фрагменты молекул. Нанометрия становится основой будущей технологии - нанотехнологии XXI столетия.