А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В те времена, когда молекулярная физика закреплялась в преподавании как раздел физики, главное внимание уделялось изучению особенностей молекулярной формы движения как таковой. В последующем центр тяжести неизменно перемещался в сторону изучения статистических закономерностей и термодинамического метода на примере молекулярных систем.
Молекулярная форма движения прн этом становится частной формой, на которой иллюстрируются общие закономерности. Эти тенденции нашли свое выражение в соответствующих программах для вузов. Предлагаемая вниманию читателя кинса написана с учетом этих тенденций. В книге также юложен материал, выходящий за рамки традиционного курса молекулярной физики, однако необходимый для решения более широких задач, чем просто изучение особенностей молекулярных систем. Речь идет в первую очередь об электронном и фотонном газах. Хотя этот материал в существующей программе молекулярной фюики не является обязательным, изучение его, хотя бы факультативно, желательно, поскольку вы- я Предисловие рабатывает у студента более глубокий взгляд на распределения в статистической картине описания явлений.
Из сказанного о сравнительной трудности квантовых и классических понятий следует, что когда в курсе встречается экспериментальный материал, позволяниций ввести те или иные квантовые представления или понятия, это безусловно необходимо делать. Речь при этом идет, конечно, не о количественном решении соответствующей квантовомеханической задачи, а об истолковании результатов эксперимента в рамках квантовомеханических представлений.
Например, после того как изучена классическая теория теплоемкостей идеального газа, экспериментальная зависимость теплоемкости молекулярного водорода от температуры не менее удобна для этой цели, чем результаты опытов Штерна — Герлаха в атомной физике. Другим принципиальным обстоятельством, обусловливающим необходимость использования квантовых понятий, является требование достаточно строгого обоснования статистической физики, которое возможно лишь в рамках квантовомеханических понятий. Естественно говорить об энтропии в связи с термодинамической вероятностью и квантовой дискретнос7ъю состояния. Это важно н в чисто методическом отношении — студент полностью осознает, что общий курс физики является не предварительным курсом, который в последующем будет уточнен, а окончательным и полным в рамках своих задач курсом современной физики.
Об изложении материала на лекциях, сочетании индуктивного и дедуктивного методов изложения и других аналогичных вопросах говорится в «Механике и теории относительности»77. Сказанное там сохраняет, разумеется, свою силу и для этой книги. Книга написана на основе многолетнего опыта преподавания автора на физическом факультете Московского государственного университета им. М.
В. Ломоносова. Автор благодарен своим коллегам по Московскому университету и другим университетам и вузам, дискуссии с которыми содействовали формированию книги в том вице, в каком она существует сейчас. Автор благодарен академику АН БССР М. А. Ельяшевичу и проф. Л. Я. Кобелеву с сотрудниками возглавляемой им кафелры за внимательное рецензирование рукописи и ценные замечания. Аво7ор Мвивв в Х И. Махани а сория отнссныланссти.
М, 797Ь Исхоцпмй пункт: линамнчсское описание системы многих частиц неосуществимо с технической, непрнголно с теоретической и бесполезно с практической точек зренпа Основнаа идея: система многнк частиц «аракгеризуется параметрамн н закономерностями, имеюпцгмн статистический каракгер. Математпческнй аппарат: теория случайных величин п процессов. $1 Методы рассмотрении систем многих частиц Дастся характеристика агрегатных состояний вешестаа и описываются модели систем многих частиц Выявляется непригодность динамического описания систем многих частиц с теоретической, неосуществимость с технической и бесполезность с практической точек зрения..излагаются основные особенности статистического н термодинамического методов. Границы применимости модели материальной точки и абсолютно твердого тела.
В механике рассматривается движение материальных тел, свойства которых могут быть смоделированы в виде понятий материальной точки и абсолютно твердого тела. Это означает, что в первом случае не принимались во внимание внутренняя структура и пространственная протяженность материального тела, во втором — их учет сводился лишь к распределению свойства инертности (плотности) в объеме, занимаемом материальным телом, для частного случая, когда это распределение неизменно во времени. Таким образом, и во втором случае не исследуются внутренние свойства и внутренние движения материальных тел. Распределение плотности считается заданным при движении абсолютно твердого тела хак целого.
Следовательно, модели материальной точки н абсолютно твердого тела неприменимы для изучения внутренних свойств материальных тел, когда существенны их структура н движение частей тела относительно друг друга. Модель материального тела. Известно, что материальные тела состоят из атомов и молекул. Известно также и строение последних. Поэтому моделью материального тела является совокупность атомов и молекул, взаимодействующих между собой по некоторым законам и соответствующим образом движущихся.
Сами атомы и молекулы, входящие в материальные тела, могут быть представлены различными моделями в зависимости от обстоятельств и характера рассматриваемых явлений. В одних случаях их можно считать материальными точками, в других — абсолютно твердыми материальными телами, в третьих необходимо принять во внимание их внутреннюю структуру и внутреннее движение. Квантовая механика позволяет полностью изучить строение атомов и молекул, и поэтому все их свойства могут считаться известными, а следовательно, известны и характеристики тех моделей, которыми они в конкретной ситуации представлены. 12 1. Сгитистичсский метод Взаимодействие атомов и молекул и их движение также в принципе известны.
В одних случаях это движение рассматривается чисто классически такими же методами, как н движение материальных точек н твердых тел, в других случаях необходимо учесть квантовые закономерности, характерные для движения микрочастиц. Этн законы известны в квантовой механике. Здесь не столь существенно их содержание; важно лишь констатироватгч что они известны н позволяют в принципе изучить взаимодействие и движение атомов и молекул, входящих в материальные тела. Поэтому моделью материального тела является совокупность атомов и молекул, свойства, законы движения и взаимодействия которых известны.
Массы атомов н молекул. В молекулярной физике принято характеризовать массы атомов и молекул не их абсолютными значениями 1в килограммах), а относительными безризмерными величинами, называемыми относительной атомной массой А, и относительной молекулярной массой М,. В качестве единичной атомной массы ль„принимается ьсс„массы изотопа углерода "С: масса изотопа углерола "С т,= 12 Относительная молекулярная масса, или относительная масса молекулы, определяется формулой вь„,„масса молекулы М„= — '"- = — — — — —,— — 12 [безразмерная1, П.2) ис„масса ьзС где т,л — абсолютное значение массы молекулы, кг.
Аналогичной формулой определяется и относительная атомная масса, надо лишь под вь„в (1.2) понимать абсолют.ное значение массы атома. Абсолютные значения атомных масс по порядку величины заключены примерно в пределах 10 зв — 10 " кг, а относительные атомные массы — в пределах 1 — 1О'. Пределы значений относительных молекулярных масс значительно шире и простираются от единицы до сотен тысяч единиц (см.
Э 49). Количество вещества. В СИ количество вещества характеризуется числом его структурных элементов. Оно выражается в молях. Моль равен количеству вещества рассматриваемой системы, которое содержит столько же структурных элементов, сколько структурных элементов 1атомов) содержится в 0,012 кг изотопа углерода ьзС. Таким образом, моль любого вещества содержит, по Ломоносов Микаил Васильевич Пл! — !7б5) 4 1. Методы рассмотрения систем многих истиц 13 определению, одинаковое число структурных элементов. Это число называют постоянной Авогадро. Она равна 0,012 кг, 10 з кг А!д — — — '- моль '= — — моль' =6,02.10" моль' ', 12лз„ зп„ где ж„определено в (1.1). Из (1.3) следует т„А!д — — 10 з кгГмоль.
(1.4) Понятие моля относится к числу структурных элементов вещества. Поэтому они всегда должны быть указаны, иначе определение количества вещества в молях ~еряет смысл. Например, неправильно говорить, что в сосуде содержится два моля воды. Правильно сказать, что в сосуде содержится два моля молекул воды. Это означает, что в сосуде имеешься 2 6,02. 10зз молекул Н,О. Если, например, в некотором объеме содержится 10зс свободных электронов, то можно сказать, что в этом объеме содержится 10з~/(6,02. 10") = 1,66 моль электронов. Если некоторое количество воды содержит, например, один моль молекул воды НзО, то оно содержит 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода, нли 10 моль протонов, 8 моль нейтронов и 1О моль электронов (молекулы тяжелой воды и изотопы не учитываются). В молекулярной физике пользуются также понятием молярной массы, которая определяется как масса одного моля вещества: (1.5) М = глмоял(А где пд „„— масса молекулы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
