2sem_1 (лекции по молекулярной физике)

1Молекулярная физика.Раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях наоснове рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения, называется молекулярной физикой.В молекулярной физике рассматривается движение больших совокупностей молекул. Именно с такимиобъектами и телами, состоящими из колоссального числа атомов и молекул, мы постоянно имеем дело вприроде и быту. Так в 1 см3 воздуха при нормальных условиях содержится 2.7⋅1019 молекул, а в 1 см3 жидкости(или твердого тела) ~1022 – 1023.Круг вопросов, охватываемых молекулярной физикой, очень широк. Она рассматривает такие проблемы,как строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры,электрических и магнитных полей); явления переноса (диффузия, теплопроводность, внутреннее трение);фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация и плавление, испарение и конденсация;магнитное упорядочение и разупорядочение и другие); критическое состояние вещества; поверхностныеявления на границах раздела различных фаз.Интенсивное развитие молекулярной физики привело к выделению из неё самостоятельно развивающихсяразделов – статистическая физика, физическая кинетика, физика твердого тела, физическая химия,молекулярная биология.При всем различии объектов и методов исследования сохраняется главная идея молекулярной физики –описание макроскопических свойств вещества на основе микроскопической (молекулярной) картины егостроения.Задачи молекулярной физики решаются методами термодинамики, физической статистики и физическойкинетики.

Они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов),составляющих физические тела.Исторически первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов.В процессе её развития работами английского физика Дж. Максвелла (1858 –60), австрийского физикаЛ.

Больцмана (1868) и американского физика Дж. У. Гиббса (1871-1902) была создана классическаястатистическая физика.Количественные представления о взаимодействии молекул (молекулярных силах) начали развиваться втеории капиллярных явлений. Классические работы в этой области, выполненные французскими ученымиА. Клеро (1743), П. Лапласом (1806) и С.

Пуассоном (1830-31), английским ученым Т. Юнгом (1805), немецкимученым К. Гауссом (1830-31), Гиббсом (1874-78) и др., положили начало теории поверхностных явлений.Межмолекулярные взаимодействия были учтены голландским физиком Я. Д.

Ван-дер-Ваальсом приобъяснении физических свойств реальных газов и жидкостей.В начале XX века молекулярная физика вступила в новый этап развития. В работах французского физикаЖ. Б. Перрена и шведского ученого Т. Сведберга (1906), польского физика М. Смолуховского и А.

Эйнштейна(1904-1906), посвященных броуновскому движению микрочастиц, были получены доказательства реальностисуществования молекул. Методами рентгеновского структурного анализа (впоследствии – методамиэлектронографии и нейтронографии) были изучены структура твердых тел и жидкостей и её изменения прифазовых переходах и изменении температуры, давления и других характеристик.Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие вработах немецких физиков М.

Борна, Ф. Лондона, В. Гейтлера и П. Дебая.Теория переходов из одного агрегатного состояния в другое, намеченная Ван-дер-Ваальсом и английскимфизиком У. Томсоном и развитая в работах Гиббса, Л. Д. Ландау (1937) и немецкого физико-химикаМ. Фольмера (30-е гг.) и их последователей, превратилась в современную теорию образования фазы – важныйсамостоятельный раздел молекулярной физики.

Объединение статистических методов с современнымипредставлениями о структуре вещества в работах Я. И. Френкеля, английского физико-химика Г. Эйринга(1935-36), английского ученого Дж. Бернала и других исследователей привело к образованию молекулярнойфизики жидких и твердых тел.Агрегатные состояния вещества.Газ (французское gaz от греческого ch ′aos − хаос) – агрегатное состояние вещества, в котором егочастицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весьпредоставленный им объем и принимая его форму. В отличие от твердых тел и жидкостей, объем газасущественно зависит от давления и температуры.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояниенадлежащим подбором давления p и температуры T .Частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядовпрактически одинаковы, называют плазмой.Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным. Жидкостиприсущи некоторые черты твердого тела (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определеннойпрочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится, может непрерывно переходить вгаз).

В то же время жидкость обладает рядом присущих прежде всего ей особенностей, наиболее характерной2из которых является текучесть. Текучестью называют свойство тел пластически или вязко деформироватьсяпод действием напряжений. У вязких тел (газов, жидкостей) текучесть проявляется при любых напряжениях; упластичных твердых тел – лишь при высоких напряжениях, превышающих предел текучести.Твердое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характеромтеплового движения атомов, которые совершают малые колебания относительно положений равновесия.Различают кристаллические и аморфные твердые тела.

Для кристаллов характерна пространственнаяпериодичность в расположении равновесных положений атомов. В аморфных телах атомы колеблютсяотносительно хаотически расположенных в пространстве точек. Поскольку устойчивым состоянием системыатомов (с минимальной внутренней энергией) твердого тела является кристаллическое, то с термодинамическойточки зрения аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должнозакристаллизоваться. Все вещества в природе (за исключением жидкого гелия) затвердевают при атмосферномдавлении и температуре T > 0 K .Атомы и молекулыСегодня даже ребенку известно, что материальные тела состоят из атомов или молекул.

Идея об атомахвозникала еще в древности (у греков) как гениальная догадка. Но потом о ней забыли.В XVII веке атомистика появляется как научная гипотеза, но законы механики Ньютона для нихиспользуются весьма слабо. Преобладают качественные и наивные представления об атомах, например как ошариках с крючком.В дальнейшем молекулярные представления приобретают более отчетливые очертания. Д.Бернулли (1738г.) вычислил давление газа исходя из молекулярно-кинетической теории.

М.В.Ломоносов внес вклад вмолекулярно-кинетические представления, выступая против “теплорода”, предсказал существованиеабсолютного нуля, считал, что причина тепла - вращение молекул.В 1-ой половине XIX века появились подтверждения гипотезы об атомном строении из химическихисследований.

Но строгое научное развитие - со 2-ой половины XIX века в работах Клаузиуса (1822-1888 г.г.,немецкий физик-теоретик: I и II начала термодинамики, энтропия, тепловая смерть Вселенной и др.), затемМаксвелла (1831-1879 г.г., английский физик, выдающиеся работы в молекулярной физике, электродинамике,оптике и др.) и Больцмана (1844-1906 г.г., австрийский физик, основоположник статистической физики,излучения и др.). В их трудах были заложены основы молекулярно-кинетической теории.

Модель молекул твердые шарики, движение которых подчиняется законам Ньютона и некоторым общим принципам (законамсохранения). Эта теория имела успех.До XX века атом рассматривался как неделимая частица, все атомы считались тождественными. Позжевыяснилось, что атом - сложная система, состоящая из ядра, окруженного электронами и имеющая дискретнуюэнергетическую структуру. Поэтому внутренняя энергия атомов, при их возбуждении, меняется такжедискретным образом.

Однако при низких температурах атомы становятся подобными твердым шарам (нехватает энергии для возбуждения атомов в вышележащие энергетические состояния).Рассмотрим массы атомов и молекул и определим единицы их измерения.1). Массы атомов принято измерять в атомных единицах. За единичную атомную массу принята 1/12 массыизотопа углерода С12:mu =mC1212= 1.66 ⋅ 10 − 24 г = 1.66 ⋅ 10 − 27 кг .(1.1)Относительная молекулярная масса:µr =mmol.mu(1.2)Обычные значения масс атомов ~ (10-25 ÷ 10-27) кг, отсюда относительные молекулярные массыµ r ~ 1 ÷ 10 2для атомов, для молекул µ r ~ 1 ÷ 10 .2).