물리학 질문. 분자물리학은 무엇을 연구하나요?

분자물리학- 분자 구조를 고려하여 신체의 물리적 특성을 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 분자물리학의 문제는 통계역학, 열역학, 물리 동역학의 방법으로 해결되며, 육체를 구성하는 입자(원자, 분자, 이온)의 움직임과 상호작용에 대한 연구와 관련이 있습니다.

이야기

분자 물리학의 첫 번째 분야는 기체 운동론이었습니다. 그 발전 과정에서 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell), 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann), J. W. 깁스(J. W. Gibbs)의 작업을 통해 고전 통계 물리학이 탄생했습니다.

분자 상호 작용(분자력)에 대한 정량적 아이디어는 모세관 현상 이론에서 발전하기 시작했습니다. Alexi Claude Clairaut(1743), Pierre-Simon Laplace(1806), Thomas Young(1805), S. D. Poisson, Carl Friedrich Gauss(1830-1831) 등의 이 분야 고전 작품은 표면 현상 이론의 토대를 마련했습니다. J.D. van der Waals(1873)는 설명할 때 분자간 상호작용을 고려했습니다. 물리적 특성실제 가스와 액체.

20세기 초, 분자물리학은 새로운 발전 단계에 접어들었습니다. 미세 입자의 브라운 운동에 전념한 Jean Baptiste Perrin과 Theodor Swedberg(1906), Marian Smoluchowski와 Albert Einstein(1904-06)의 연구에서 분자 존재의 현실에 대한 증거가 얻어졌습니다.

엑스레이 방법으로 구조 분석(그리고 이후에 전자 회절 및 중성자 회절 방법을 사용하여) 구조가 연구되었습니다. 고체온도, 압력 및 기타 특성의 상전이 및 변화 중 액체 및 그 변화. 아이디어에 기초한 원자 간 상호 작용의 교리 양자 역학 Max Born, Fritz London, Vallière Heitler 및 Peter Debye의 작품에서 개발되었습니다. Van der Waals와 William Thomson이 개괄하고 Gibbs(19세기 후반), Lev Davidovich Landau, Max Volmer(1930년대)와 그 추종자들의 연구에서 발전한 한 집합 상태에서 다른 집합 상태로의 전환 이론은 다음과 같습니다. 현대 이론상 형성은 물리학의 중요한 독립 분야입니다. 협회 통계적 방법 Yakov Ilyich Frenkel, Henry Eyring(1935-1936), John Desmond Bernal 등의 작품에서 물질 구조에 대한 현대적인 아이디어를 바탕으로 액체와 고체의 분자 물리학이 탄생했습니다.

과학의 문제

분자물리학에서 다루는 문제의 범위는 매우 넓습니다. 외부 요인(압력, 온도, 전자기장), 전달 현상(확산, 열전도율, 점도), 상평형 및 상전이 과정의 영향으로 물질의 구조와 변화를 조사합니다(

ICT의 주요 조항에 대한 실험적 입증:

분자운동론– 원자와 분자가 가장 작은 입자로 존재한다는 아이디어를 사용하여 물질의 구조와 특성에 대한 교리 화학 물질. MCT는 엄격하게 실험적으로 입증된 세 가지 진술을 기반으로 합니다.

· 물질은 입자(원자와 분자 사이에 공간이 있음)로 구성됩니다.

· 이 입자들은 혼란스러운 움직임을 보이고 있으며 그 속도는 온도의 영향을 받습니다.

· 입자는 서로 상호 작용합니다.

물질이 실제로 분자로 구성되어 있다는 사실은 크기를 결정함으로써 증명할 수 있습니다. 기름 한 방울이 물 표면 위로 퍼져 분자의 직경과 같은 두께의 층을 형성합니다. 1mm 3의 방울은 0.6m 2 이상 퍼질 수 없습니다.

분자의 존재를 증명하는 다른 방법도 있지만 나열할 필요는 없습니다. 현대 장치 (전자 현미경, 이온 프로젝터)를 사용하면 개별 원자와 분자를 볼 수 있습니다.

분자 상호작용력. a) 상호작용은 본질적으로 전자기적이다. b) 단거리 힘은 분자 크기와 비슷한 거리에서 감지됩니다. c) 인력과 반발력이 같을 때(R 0) 거리가 있고, R>R 0이면 인력이 우세합니다.

분자 인력의 작용은 표면을 청소한 후 서로 달라붙는 납 실린더를 사용한 실험에서 드러났습니다.

분자와 원자 단단한인접한 원자의 인력과 반발력이 균형을 이루는 위치를 기준으로 무작위 진동을 수행합니다. 안에 액체분자는 평형 위치를 중심으로 진동할 뿐만 아니라 한 평형 위치에서 다음 평형 위치로 점프합니다. 이러한 분자 점프는 액체의 유동성, 용기 모양을 취하는 능력의 이유입니다. 안에 가스일반적으로 원자와 분자 사이의 거리는 평균적으로 분자의 크기보다 훨씬 큽니다. 반발력은 장거리에 걸쳐 작용하지 않으므로 가스가 쉽게 압축됩니다. 가스 분자 사이에는 인력이 거의 없으므로 가스는 무한정 팽창하는 특성을 가지고 있습니다.

분자의 질량과 크기. 아보가드로 상수:

모든 물질은 입자로 구성되어 있으므로 물질의 양입자의 수에 비례하는 것으로 간주됩니다. 물질의 양의 단위는 두더지 . 두더지 0.012kg의 탄소에 있는 원자와 동일한 수의 입자를 포함하는 시스템의 물질 양과 같습니다.

물질의 양에 대한 분자 수의 비율을 물질이라고 합니다. 아보가드로 상수:

아보가드로 상수는

물질의 양은 물질의 원자 또는 분자 수와 아보가드로 상수의 비율로 확인할 수 있습니다.

몰 질량물질의 양에 대한 물질의 질량의 비율과 같은 양입니다.

몰 질량은 분자의 질량으로 표현될 수 있습니다.

결정을 위해 분자 질량물질의 질량을 그 안에 있는 분자 수로 나누어야 합니다.

브라운 운동:

브라운 운동– 가스나 액체에 부유하는 입자의 열적 이동. 영국의 식물학자 로버트 브라운(1773~1858)은 1827년 액체 속에서 현미경으로 볼 수 있는 고체 입자의 무작위 움직임을 발견했습니다. 이 현상을 브라운 운동이라고 불렀습니다. 이 움직임은 멈추지 않습니다. 온도가 증가하면 강도가 증가합니다. 브라운 운동은 압력 변동(평균값에서 눈에 띄는 편차)의 결과입니다.

입자의 브라운 운동이 일어나는 이유는 액체 분자가 입자에 미치는 영향이 서로 상쇄되지 않기 때문입니다.

이상기체:

희박 가스에서는 분자 사이의 거리가 크기보다 몇 배 더 큽니다. 이 경우 분자 간의 상호 작용은 무시할 수 있으며 분자의 운동 에너지는 상호 작용의 위치 에너지보다 훨씬 큽니다.

기체 상태의 물질의 특성을 설명하기 위해 실제 가스 대신 물리적 모델인 이상 기체가 사용됩니다. 모델은 다음을 가정합니다.

분자 사이의 거리는 직경보다 약간 더 큽니다.

분자는 탄력 있는 공입니다.

분자 사이에는 인력이 없습니다.

분자가 서로 충돌하고 용기 벽과 충돌하면 반발력이 작용합니다.

분자의 움직임은 역학의 법칙을 따릅니다.

이상기체의 MKT 기본 방정식은 다음과 같습니다.

기본 MKT 방정식을 사용하면 분자 질량, 속도 제곱의 평균값 및 분자 농도를 알고 있는 경우 가스 압력을 계산할 수 있습니다.

이상적인 가스 압력이는 분자가 용기의 벽과 충돌할 때 탄성체로서의 역학 법칙에 따라 분자와 상호 작용한다는 사실에 있습니다. 분자가 용기의 벽과 충돌할 때 속도 v x 속도 벡터를 벽에 수직인 OX 축에 투영하면 부호가 반대 방향으로 변경되지만 크기는 일정하게 유지됩니다. 따라서 분자가 벽과 충돌하면 OX 축에 대한 운동량의 투영이 mv 1x = -mv x에서 mv 2x =mv x로 변경됩니다. 벽과 충돌할 때 분자 운동량의 변화는 벽 측면에서 분자에 작용하는 힘 F 1에 의해 발생합니다. 분자 운동량의 변화는 이 힘의 운동량과 같습니다.

뉴턴의 세 번째 법칙에 따르면 충돌 중에 분자는 힘 F 1과 크기가 같고 반대 방향으로 향하는 힘 F 2로 벽에 작용합니다.

많은 분자가 있으며, 충돌 시 각 분자는 동일한 충격을 벽에 전달합니다. 순식간에 그들은 충동을 전달합니다

모든 분자의 속도가 동일하지 않다는 점을 고려하면 벽에 작용하는 힘은 속도의 평균 제곱에 비례합니다. 분자는 모든 방향으로 움직이기 때문에 투영된 속도의 제곱의 평균값은 동일합니다. 따라서 속도 투영의 평균 제곱은 다음과 같습니다.

이상 기체 분자의 병진 운동의 운동 에너지의 평균값을 나타냅니다.

온도 및 측정:

이상 기체에 대한 기본 MKT 방정식은 쉽게 측정되는 거시적 매개변수(압력)와 평균 운동 에너지 및 분자 농도와 같은 미세 기체 매개변수 사이의 연결을 설정합니다. 그러나 압력만 측정하면 개별 분자의 평균 운동 에너지나 농도를 알 수 없습니다. 결과적으로, 가스의 미세한 매개변수를 찾으려면 분자의 평균 운동 에너지와 관련된 다른 물리량을 측정해야 합니다. 이 수량은 온도 .

일정한 외부 조건 하에서 모든 거시적 몸체 또는 거시적 몸체 그룹은 자발적으로 열 평형 상태로 전환됩니다. 열 평형 -이는 모든 거시적 매개변수가 원하는 만큼 변경되지 않고 유지되는 상태입니다.

온도는 물체 시스템의 열 평형 상태를 특징으로 합니다. 서로 열 평형 상태에 있는 시스템의 모든 물체는 동일한 온도를 갖습니다. .

온도를 측정하려면 부피, 압력, 전기 저항 등 온도에 따른 거시적 양의 변화를 사용할 수 있습니다.

실제로는 온도에 따른 액체(수은 또는 알코올)의 부피 의존성이 가장 자주 사용됩니다. 온도계를 교정할 때 일반적으로 얼음이 녹는 온도를 기준점(0)으로 사용합니다. 두 번째 상수점(100)은 정상 대기압(섭씨 단위)에서 물의 끓는점으로 간주됩니다. 다양한 액체는 가열 시 다르게 팽창하므로, 이렇게 설정된 규모는 해당 액체의 특성에 따라 어느 정도 달라집니다. 물론 0과 100°C는 모든 온도계에서 일치하지만 50°C는 일치하지 않습니다.

통계 물리학 기사에서 자세한 내용을 읽어보세요.

통계적 방법물리적 현상에 대한 연구는 물질의 내부 구조를 모델링하는 데 기반을 두고 있습니다. 환경은 주어진 특성을 가진 수많은 분자(원자)로 구성된 특정 물리적 시스템으로 간주됩니다. 매체의 주어진 미시적 특성을 기반으로 거시적 특성과 패턴을 결정하는 것이 이 방법의 주요 작업입니다.
따라서 혼란스럽게 움직이는 분자 집합의 경우 대부분의 분자에 고유한 속도, 에너지 및 운동량의 특정 값을 찾을 수 있습니다. 이러한 값을 가장 가능성이 높은 값이라고 합니다. 분자 집합의 운동 특성인 분자 속도, 에너지, 분자 자유 경로 등의 평균값을 결정할 수 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 압력, 절대 온도 등과 같은 거시적 시스템의 매개변수를 결정하는 것이 가능합니다.
통계적 방법을 사용하면 동적 패턴에서와 같이 각 요소에 대해 개별적으로가 아닌 현상의 전체 앙상블에 대해 정당화되는 무작위 현상의 상상적 혼돈 속에서 패턴을 설정할 수 있습니다. 이렇게 확립된 관계를 통계적 패턴이라고 합니다.
이러한 규칙성은 입자 수가 적은 시스템으로 전환되면서 의미를 잃습니다.
열역학적 방법
물질의 미세한 구조를 고려하지 않고 연속적인 매체로 간주하는 과정을 설명하는 방법을 이라고 합니다. 열역학.
현상학적 방법을 사용하면 현상 전체를 특징짓는 매개변수 간의 일반적인 관계를 설정할 수 있습니다. 현상학적 법칙은 본질적으로 매우 일반적이며 경험에서 직접 결정되는 계수를 사용하여 특정 환경의 역할을 고려합니다. 특히 이 방법을 사용하여 이상기체와 실제기체의 법칙이 확립되었습니다.
현상학적 연구 방법은 열역학(열 효과와 관련된 다양한 자연 현상에 대한 물리학의 한 분야)에서 사용됩니다. 한 유형에서 다른 유형으로의 에너지 변환 조건을 연구하고 이러한 변환을 정량적으로 특성화합니다.열역학은 상당히 큰(거시적) 물체에 대한 수많은 관찰과 실험의 일반화를 기반으로 확립된 세 가지 기본 법칙을 기반으로 합니다.
열 공학, 가스 역학, 로켓 공학 등에서 현상학적 방법을 사용하는 것이 특히 효과적인 것으로 나타났습니다.
신체의 특성과 미시적 및 거시적이라는 두 가지 다른 위치에서의 변화를 고려하면 분자 물리학과 열역학이 서로를 보완합니다.
분자물리학의 성과는 다른 자연과학에서도 널리 활용됩니다. 특히 화학과 생물학의 발전은 그 성공과 불가분의 관계가 있습니다. 개발 과정에서 분자 물리학에서 물리 화학, 물리 동역학, 분자 생물학, 고체 물리학과 같은 독립적인 섹션이 등장했습니다.
분자 물리학의 기본 개념은 특정 과학 분야, 특히 금속, 고분자 및 플라즈마 물리학, 결정 물리학, 물리 및 화학 역학에서 사용됩니다.
분자물리학은 현대재료과학, 진공기술, 분말야금, 냉동기술 등의 과학적 기초이다.
현대 물리학의 중요한 성공은 인공 물질의 합성이었습니다. 다이아몬드및 기타 초경질 재료.
분자 물리학 및 열역학 분야의 성과는 현대 열 엔진, 액화 가스용 냉동 장치, 화학 제품 및 식품 생산의 기초를 형성합니다. 그들은 기상학의 발전에 기여합니다.