А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 64

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 64)

являются бесструктурными образованиями. При таком подходе жидкость в структурном смысле считалась просто достаточно плотным газом. Однако эксперименты показали, что это не так. Суть этих экспериментов состоит в следующем. Если твердое кристаллическое тело облучать рентгеновским излучением, то картина рассеянных твердым телом лучей не является беспорядочной. Она настолько упорядочена, что из ее анализа можно сделать выводы о строении кристаллической решетки твердого тела, т. е, картина рассеянного рентгеновского излучения отражает структуру кристаллической решетки твердого тела. При прохождении рентгеновского излучения через газ никаких признаков регулярности в рассеянном излучении обнаружить не удается.

Отсюда делаются заключения, что газ является бесструктурным образованием. Однако при прохождении через жидкость образуется рассеянное рентгеновское излучение, которое не так 8 36. Структура жидкостей, Жидкие кристаллы 279 85 П г'д (г) 85. Парная фупкпия распрелеле- ння Лля кристалла упорядочено, как в случае твердых тел, но и не так беспорядочно, как в случае газов. Поэтому можно сказать, что жидкости обладают некоторой структурой, которая не так сильно выражена, как у твердых тел, но отличается от структуры газов. По внутренней структуре жидкости занимают промежуточное место между ~азами и твердыми телами.

При рассмотрении ряда вопросов оказалось удобнее представлять жидкость как в некотором смысле разупорядоченное твердое тело. Например, в одном из таких подходов жидкость рассматривается как кристалл, в котором часть ячеек не заполнена. Количественной характеристикой упорядоченности структуры может служить парная функция распределения д (г), которая определяется следующим образом. Пусть некоторый гипотетический наблюдатель находится в месте положения некоторой молекулы и наблюдает среднюю плотность других молекул в различных малых областях пространства, характеризуемых радиус-вектором г. Распределение этой плотности характеризуется функцией д (г). В случае кристаллической решетки твердого тела плотность отлична от нуля лишь вблизи узлов кристаллической решетки. Например, если выбрать некоторое направление, проходяшее через узлы решетки кристалла„то функция распределения д (г) вдоль этого направления имеет вид, показанный на рис.

85. Пики соответствуют узлам решетки, а форма кривых в окрестности пиков является гауссовской, поскольку атом не покоится точно в узле решетки, а движется в окрестности этого узла. Ясно, что для кристалла д(г) зависит не только от абсолютного значения вектора г, но и от его направления. В некотором другом направлении пики находятся на других расстояниях друг от друга и от начальной точки. У идеального газа распределение молекул одинаково по всем направлениям и на всех расстояниях от начальной точки, т.е. для газа д(г) = сопи«. Как показывают экспериментальные исследования н теоретические соображения, у жидкости парная функция распределения изотропна, но зависит от расстояния (рис.

86). Плотность д (и) колеблется вокруг средней плотности и на достаточно больших расстояниях становится равной средней плотности. Это показывает, что молекулы в жидкости распределены не столь беспорядочно, как в газе, хотя и не столь упорядоченно, как в твердом теле. Ко~да мы говорили о средней плотности, то имели в виду усреднение по времени. Ясно, что это определение можно переформулировать на основе эргодической 280 4.

Газы с межмолекулярным втаимодействяем и жидкости гипотезы о средних по ансамблю. Зафиксируем положение всех молекул в некоторый момент времени и рассмотрим всевозможные пары молекул. Просчитаем общее число пар молекул, расстояние между которыми заключено между г и г+ дг при различных значениях г, и разделим это на общее число пар и дг. Это относительное число пар молекул при различных значениях г в некотором масштабе и будет давать парную функцию распределения д(г). Следовательно, различные расстояния между молекулами в жИдкости не равновероятны.

Это утверждение и есть количественная формулировка представления о том, что жидкость имеет внутреннюю структуру, причем имеется в виду упорядочение в ближнем порядке. Необходимость существования некоторой структуры в жидкости может быть понята из такой грубой аналогии. Если в шкафу на большой полке необходимо поставить небольшое число банок, то нет необходимости заботиться о том, как их расположить друг относительно друга, чтобы они все поместились на полке. Если же число банок велико, так что они с трудом помещаются на полке, то дело обстоит по-другому.

Кое-как поставить банки не удается, а приходится расставлять нх определенным способом, обеспечивающим максимальную экономию места. Расставляемые таким образом банки образуют определенную структуру. Хотя, конечно, распределение молекул в жидкости — это не расстановка банок на полке, все же удается из чисто геометрических соображений о возможных взаимных расположениях молекул друг относительно друга в жидкости получить для а(г) кривые, аналогичные изображенным на рис. 86. Вычисление потенцналмюй энергии. Важность парной функции распределения состоит в том, что с ее помощью можно рассчитать потенциальную энергию взаимодействия, если известна (см. рис. б5) потенциальная энергия ® Парная функция распределения жидкостей доказывает существование в ннх ближнего порядка.

Хб. Параая фуяядкя распредсдсагп дяя жалкостей При теоретическом исследовании некоторых явлений в жидкости иногда оказывается целесообразньщ в качестве первого приближения взять модель твердого тела,а не модель газа. По своей структуре жидкости запинают пронежуточное пепожение между газами н твердыни телами: в раеположении ее молекул нет регулярности, характерной для тверды» тел, но и нет полного отсутствия регулярности, «ак у газов. 36. Структура жидкостей. Жидкие крисгалиы 281 взаимодействия (1(г). Число пар молекул, между которыми расстояние равно г, про- порционально и'д(г), а следовательно, потенциальная энергия взаимодействия про- порциональна интегралу ) г'д (г) (1 (г) г)г.

о (36.1) Если д(г) и П(г) известны как функции плотности и температуры, то можно определить все равновесные свойства жидкости. Зависимость свойств жидкости от строения молекул. Поскольку в жидкости молекулы находятся близко друг к другу, их внутреннее строение и свойства оказывают существенное влияние на свойства жидкости. Например„наличие постоянных дипольных моментов у молекул и их взаимодействие приводят к неравноценности различных взаимных ориентаций молекул. На взаимное движение молекул оказывает существенное влияние их форма.

Ясно, например, что длинные молекулы меняют относительные положения по-другому, чем шарообразные, и т, д. Это еще более осложняет описание жидкого состояния. Жидкие кристаллы. Таким образом, жидкость имеет определенную структуру, хотя и не так ярко выраженную, как кристаллическая структура твердого тела. Однако имеется много случаев, когда жидкость имеет еще более ярко выраженную структуру, чем просто наличие структуры ближнего порядка. Оказывается, для многих веществ, особенно для органических материалов, вообще нельзя говорить о переходе из твердого состояния в жидкое как об одном переходе. У них переход из твердого состояния в жидкое состоит из последовательности переходов, при каждом из которых изменяются состояние и строение вещества, и нельзя сказать, что оно находится либо в жидком, либо в твердом состоянии.

Механические свойства и структура веществ в этих промежуточных состояниях являются промежуточными между жидким и кристаллическим состояниями. Вещество в таких промежуточных состояниях называется жидким кристаллом. Виды жидких кристаллов. Особенностью жидкостей является отсут.стане какого- либо пространственного упорядочения и изотропия их свойств. Наиболее существенной чертой кристаллической структуры твердых тел является наличие трехмерного упорядочения.

Жидкие кристаллы проявляют упорядоченность, которая является промежуточной между упорядоченностью жидкости и твердых тел, приводящей к соответствующей аиизотропин их свойств. В соответствии с этим жидкие кристаллы делятся на две группы. Первая группа жидких кристаллов, называемых смектиками, характеризуется одномерной пространственной упорядоченностью. Жидкость представляется состоящей нз параллельных жидких слоев, регулярно следуиицих друг за другом и отличающихся друг от друга упорядоченностью структуры.

Характеристики

Список файлов книги