Введение

Природа дала человеку только пять чувств, да и в тех она ограничила его более узкими пределами, чем многие другие живые существа. Это касается не только остроты, скажем, зрения или слуха, которая связана с чувствительностью соответствующего органа, позволяющего воспринимать световой или звуковой сигнал только определенной интенсивности. Существуют еще такие лучи, которых глаз просто не видит, и такие звуки, которых ухо просто не слышит, какими бы сильными они ни были. Однако разум помог человеку научиться буквально видеть, слышать, осязать в неизмеримо более широких пределах - таких, что с ним не может сравниться теперь никакой другой живой организм на Земле.

Развитие науки не только обогащает человечество знаниями и дает все большие возможности управлять природой, создавая нужные материальные ценности, но и позволяет разрабатывать такую технику, приборы и методы, которые ведут к проникновению в новые тайны природы, к дальнейшему прогрессу самой науки. Этот процесс повторяется на все более и более высоком уровне, и часто дело состоит не столько в том, чтобы получить новую информацию, сколько в том, чтобы обработать и осмыслить ее, понять ее логическую связь с объективными законами природы "ли вскрыть сами; эти законы, если они еще не известны.

Одним из важнейших достижений XX века было проникновение в микромир и раскрытие ряда действующих в нем законов. Появление нового раздела теоретической физики - квантовой механики и разработка на этой основе мощных физических методов эксперимента позволили заглянуть в мир объектов, имеющих размеры порядка ста миллионных долей сантиметра и даже еще на несколько порядков ниже. Физиками и химиками построена общая картина строения атомов и молекул, продолжается интенсивное изучение элементарных; частиц и постижение тайн атомного ядра.

Наиболее крупной из частиц, которая еще относится к микромиру, так как поведение ее подчиняется законам квантовой механики, но полностью не описывается уже классической механикой, является химическая частица - молекула. Размеры молекул меняются в очень широких пределах: от нескольких ангстрем (Å = 10^-8см), в случае двухатомных и простейших многоатомных молекул, до многих тысяч ангстрем, в случае "гигантских" полимерных молекул. Вопросы структуры и свойств молекул, образующих окружающие нас вещества и живую материю, далеко еще не полностью изучены. Строение молекул остается поэтому одной из основных проблем современной молекулярной физики, химии, биологии и смежных областей науки. Знание законов построения молекул из атомов различных химических элементов и всех тонкостей внутренних взаимоотношений атомов в молекулах является одним из необходимых условий понимания всех свойств веществ и их поведения в химических реакциях, без чего нельзя научиться управлять процессами изменения, созидания и разрушения веществ, в том числе и биологическими процессами.

Увидеть молекулу невооруженным глазом никому не дано, но информация, получаемая с помощью современного физико-химического эксперимента и обработанная с использованием известных законов теоретической физики, позволяет, однако, "увидеть" очень многое. Основа этого "видения" лежит главным образом в открытых квантовой механикой взаимосвязи и взаимодействии частиц вещества и электромагнитного излучения, в двойственной (волновой и корпускулярной) природе того и другого, а также в понимании Связи энергетических, электрических и магнитных свойств частиц с их строением.

Электромагнитное излучение, с одной стороны, можно рассматривать как волновой процесс, характеризуемый скоростью распространения волн (скорость света, с, в определенной среде постоянна и в вакууме, с_в, равна около 300 тыс. км в сек), длиной волны, λ, частотой, v, связанной с длиной волны соотношением v = с/λ, и волновым числом, ω (число длин волн, укладывающихся в одном сантиметре, ω=1/λ). С другой стороны, излучение можно описать как поток частиц - квантов света или фотонов, характеризуемых определенными энергиями, Е_ф, и импульсами (моментами), р_ф. Связь этих величин с волновыми характеристиками излучения дается следующими соотношениями: Е_ф=hv=hc/λ=hcω, p_ф=hv/c=h/λ=hω, где h - постоянная Планка, или квант действия. Заметим, что энергия фотона прямо пропорциональна частоте и волновому числу электромагнитного излучения, так что эти волновые характеристики также могут служить мерой энергии.

Весь возможный набор длин волн (частот, волновых чисел) излучения, или энергий фотонов, представляет полный электромагнитный спектр, который простирается от километровых длин волн, т. е. очень малых частот (порядка частот переменного тока 10²сек^-1 и ниже) и энергий, до чрезвычайно малых длин волн или огромных частот, (порядка 1020сек-1 и выше) и энергий космических излучений. Условно этот спектр делится на различные области в зависимости либо от методов детектирования и изучения, либо от расположения этих областей по отношению к участку, воспринимаемому человеческим глазом. Область видимого излучения представляет ничтожно узкую часть всего электромагнитного спектра (всего примерно три стотысячных доли сантиметра) и лежит в интервале между 4000 и 7000 Å. В сторону больших длин волн от нее простираются близкая и далекая инфракрасные области, а в сторону меньших длин волн - ультрафиолетовая область. Все вместе их называют также оптической областью электромагнитного спектра. С далекой инфракрасной областью граничит и частично перекрывается ею микроволновая область, являющаяся началом более широкой области радиоволн, и т. д.

Какова же связь между частицами вещества и электромагнитным излучением? Каждая микрочастица, например атом, ион или молекула, характеризуется определенной присущей ей энергией. Эта энергия может изменяться, т. е. возможны различные энергетические состояния частицы. В соответствии с законом сохранения энергии, если энергия частицы возрастает, значит, она приобретается, т. е. поглощается частицей от какого-то источника, если же энергия уменьшается, то частица куда-то ее отдает. Согласно основному постулату Бора, если есть какие-то два состояния частицы с энергиями Е' и Е", разность между которыми ΔЕ, то переход ее из одного состояния в другое может сопровождаться излучением или поглощением фотона с энергией E_ф=ΔE=E'-E"=hv, т. е. испусканием или поглощением электромагнитного излучения с частотой v=ΔE/h.

В зависимости от того, насколько сильно меняется энергия частицы, т. е. насколько велика разность энергий двух состояний, между которыми происходит переход, поглощаемый или испускаемый фотон будет обладать той или иной энергией и иметь определенную частоту, относясь к какой-то области электромагнитного спектра. Когда у частицы имеется множество различных энергетических состояний и возможно множество различных переходов между ними, то полный набор всех частот испускаемого или поглощаемого ею электромагнитного излучения образует соответственно спектр испускания или спектр поглощения данной частицы. В общем случае спектр - это некоторое распределение интенсивности электромагнитного излучения по шкале длин волн, частот или энергий. Интенсивность связана с числом испускаемых или поглощаемых фотонов определенных энергий (частот) в единицу времени, т. е. с вероятностью процессов, сопровождающихся определенными изменениями энергии объекта, дающего спектр. Таким образом, изучая взаимосвязь и взаимодействие электромагнитного излучения и вещества, можно делать заключения об энергетических состояниях микрочастиц, а если известны законы, связывающие энергетические свойства частиц с их структурой, то можно делать выводы и о самой структуре. Исследуя интенсивность спектров, можно также получать данные об электрических и некоторых других свойствах частиц.

На рассмотренных принципах базируется большая группа современных физических методов исследования структуры атомов и молекул, включающая методы оптической спектроскопии, радиоскопии и некоторые магнитные методы. К оптическим методам относятся также поляриметрия и спектрополяриметрия, с помощью которых изучается вращение плоскости поляризации света веществами и его дисперсия, методы, основывающиеся на исследовании двойного лучепреломления, и ряд других.

Физические явления дифракции рентгеновских лучей, пучков электронов или нейтронов лежат в основе еще одной группы методов исследования структуры вещества и строения молекул. Грубо говоря, аналогично тому, как по виду дифракционной картины, получающейся при прохождении пучка видимого света через отверстие диафрагмы, можно определить форму отверстия, по рентгенограмме, электронограмме или нейтронограмме можно судить о расположении в пространстве атомов или атомных ядер, являющихся рассеивающими центрами. Таким образом рентгенография и особенно электронография молекул в газовой фазе (метод нейтронографии пока менее распространен) позволяют с большой точностью определять геометрическую конфигурацию молекулы. Расстояния между центрами атомов (ядрами) в молекуле могут быть найдены этими методами с точностью до сотых и, в лучшем случае, даже тысячных долей ангстрема.

Информацию о строении и свойствах молекул дают измерения диэлектрической проницаемости веществ и рефрактометрия, позволяющие определять электрический дипольный момент и поляризуемость молекулы, а также магнитные измерения, из которых получают данные о магнитном моменте, и диамагнитной восприимчивости. В числе современных физических методов исследования строения молекул можно указать также акустические, основывающиеся на поглощении веществом звуковых и ультразвуковых волн. Мы не будем перечислять еще целый ряд физических и химических методов изучения строения и свойств молекул, касаясь " ниже по мере необходимости лишь некоторых из них, наиболее плодотворно применявшихся для решения рассматриваемых в. этой книжке вопросов, а также с целью иллюстрации того, как из эксперимента получают научные данные о весьма тонких деталях строения молекул.

Перед нами стоит не очень легкая задача - рассмотреть в достаточно популярной форме довольно специальный на первый взгляд вопрос о внутреннем вращении и вращательной изомерии молекул. Этот вопрос стал, однако, в последние годы одним из центральных в теории химического строения, и, по-видимому, уже пришла пора рассказать об этом широкому кругу читателей. С указанными явлениями связаны весьма специфические свойства очень многих соединений, огромную роль они играют не только в химии, но и в биохимии, и в живой природе. Начиная этот рассказ, необходимо, очевидно, предпослать ему главу, вводящую читателя в круг общих современных представлений о молекуле как динамической системе связанных атомных ядер и электронов.