Доказательство, как это часто бывает, пришло совсем из другой области, то есть не из области физики. Оно связано с исследованием одного очень интересного явления, открытого не физиком, а ботаником.
В 1827 году ботаник Броун, рассматривая в микроскоп каплю жидкости, содержавшую пыльцу растений, обнаружил в ней много твердых мелких частичек. При этом, к своему великому удивлению, он совершенно ясно увидел, что все эти частицы прыгают с места на место, ни на секунду не останавливаясь, хотя капля была в полном покое. Создавалось такое впечатление, как будто эти частицы живые. Были поставлены опыты с явно неживыми частицами. Происходило то же самое.
Объяснение этого явления было дано позднее на основе учения об атомах. Объяснение это таково. Твердые частички, находящиеся в капле воды, подвергаются ударам частиц воды, которые непрерывно двигаются. А так как частицы воды движутся хаотически, беспорядочно, то и твердые частицы под влиянием их ударов летят то в одну, то в другую сторону. Если менять температуру воды, то по мере нагревания «пляска» броуновских частиц усиливается, по мере охлаждения ослабевает. С точки зрения кинетической теории это вполне понятно: нагревание воды есть не что иное, как усиление движения составляющих ее частиц. Двигаясь быстрее, атомы воды энергичнее толкают плавающие в воде твердые частички, отчего частички эти начинают прыгать сильнее. При охлаждении же происходит обратное.
Таким образом, физика XVIII и XIX веков опытным путем подтвердила учение древних философов об атомном строении материи.
Не меньший вклад в изучение строения материи внесла другая наука, смежная с физикой,химия. Ученые-химики обнаружили, что большинство веществ, с которыми мы постоянно встречаемся, кажутся нам простыми, но на самом деле являются сложными, то есть состоят из двух или нескольких других, более простых веществ. При определенных условиях их можно разложить на эти более простые вещества. Такое, казалось бы. совсем простое вещество, как вода, состоит из двух еще более простых веществ, причем совсем на нее не похожих: при пропускании через воду электрического тока она, как показали опыты химиков, разлагается на два газа кислород и водород. Даже соль, обыкновенная поваренная соль, которую мы каждый день кладем в пищу, состоит, оказывается, из двух веществ: металла натрия и ядовитого газа хлора.
При пропускании электрического тока очень многие из тех веществ, которые казались раньше простыми, были разложены на два или даже более других веществ. Однако некоторые вещества, такие, как водород, кислород, углерод, железо, золото и другие, никакими способами не удалось разложить на более простые. Эти простые, неразложимые вещества получили название химических элементов. Сложные же вещества, состоящие из двух или нескольких химических элементов, стали называться химическими соединениями.
Химические элементы в химических соединениях всегда находятся в определенном отношении друг к другу по весу. Например, в воде, независимо от того, откуда она взята из колодца, со дна океана, из реки, всегда кислорода по весу содержится в 8 раз больше, чем водорода. Никогда не бывает так, чтобы на 1 весовую часть водорода приходилось не 8, а скажем, 7 или 6 частей кислорода. Постоянство весовых соотношений элементов в химическом соединении было установлено и для всех других сложных веществ. Эта закономерность получила в химии название закона постоянства состава химического соединения.
Объяснение этого закона дал английский химик Дальтон. Он связал вопрос о химических элементах и химических соединениях с атомной теорией строения материи. Все вещества и элементы и химические соединения состоят из мельчайших частиц. Но частицы, из которых состоят химические соединения, являются, утверждал Дальтон, не простыми, а сложными: они представляют собой сочетание частиц тех химических элементов, из которых состоит данное химическое соединение. Частица воды, например, является соединением частиц водорода и кислорода. Что же касается последних, то они уже не поддаются разложению ни при каких условиях. Следовательно, если частицы воды делимы, то частицы водорода, кислорода и других химических элементов неделимы. Они-то, по Дальтону, и есть подлинные атомы (вспомним, что слово «атом» означает «неделимый»). Мельчайшая же частица химического соединения, состоящая из нескольких атомов, получила название молекулы.
О размерах молекул нетрудно судить уже на основании того, что нам известно о размерах атомов. Конечно, молекулы крупнее атомов, но все же и они очень малы. Молекула воды, например, имеет диаметр 0,000 000028 сантиметра. Это значит, что молекула воды во столько раз меньше горошины, во сколько горошина меньше земного шара.
Атомы различаются прежде всего по весу. Например, один атом кислорода в 16 раз тяжелее одного атома водорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому кислорода в ней по весу содержится в 8 раз больше, чем водорода. Такое соотношение весов водорода и кислорода в воде является постоянным, так как вес каждого атома всегда один и тот же, и количество атомов в молекуле всегда одно и то же. Поэтому никогда не может получиться так, чтобы соотношение весов водорода и кислорода в воде было иное, чем 1 к 8. То же самое относится к атомам и молекулам всех других веществ. Так был объяснен с точки зрения атомной теории закон постоянства состава химических соединений.