Fizik soruları. Moleküler fizik neyi inceliyor?

Moleküler fizik- cisimlerin fiziksel özelliklerini moleküler yapılarını dikkate alarak inceleyen bir fizik dalı. Moleküler fiziğin problemleri istatistiksel mekanik, termodinamik ve fiziksel kinetik yöntemlerle çözülür; fiziksel bedenleri oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller, iyonlar) hareketi ve etkileşiminin incelenmesiyle ilişkilidir.

Hikaye

Moleküler fiziğin ortaya çıkan ilk dalı gazların kinetik teorisiydi. Gelişim sürecinde klasik istatistiksel fizik, James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann ve J. W. Gibbs'in çalışmaları aracılığıyla yaratıldı.

Kılcal olaylar teorisinde moleküllerin (moleküler kuvvetler) etkileşimi hakkında nicel fikirler gelişmeye başladı. Alexi Claude Clairaut (1743), Pierre-Simon Laplace (1806), Thomas Young (1805), S. D. Poisson, Carl Friedrich Gauss (1830-1831) ve diğerlerinin bu alandaki klasik çalışmaları, yüzey fenomeni teorisinin temelini attı. Moleküller arası etkileşimler J.D. Van der Waals (1873) tarafından açıklanırken dikkate alınmıştır. fiziki ozellikleri Gerçek gazlar ve sıvılar.

20. yüzyılın başında moleküler fizik yeni bir gelişim aşamasına girdi. Jean Baptiste Perrin ve Theodor Swedberg (1906), Marian Smoluchowski ve Albert Einstein'ın (1904-06) mikropartiküllerin Brown hareketine ayrılan çalışmalarında, moleküllerin varlığının gerçekliğine dair kanıtlar elde edildi.

X-ışını yöntemleriyle yapısal Analiz(ve ardından elektron kırınımı ve nötron kırınımı yöntemleri kullanılarak) yapı incelendi katılar ve sıvılar ve faz geçişleri sırasındaki değişimler ve sıcaklık, basınç ve diğer özelliklerdeki değişiklikler. Fikirlere dayalı atomlar arası etkileşim doktrini Kuantum mekaniği Max Born, Fritz London ve Vallière Heitler'in yanı sıra Peter Debye'nin eserlerinde geliştirildi. Van der Waals ve William Thomson tarafından ana hatları çizilen ve Gibbs (19. yüzyılın sonları), Lev Davidovich Landau ve Max Volmer (1930'lar) ve onların takipçilerinin çalışmalarında geliştirilen, bir toplanma durumundan diğerine geçiş teorisi, günümüzde popüler hale gelmiştir. modern teori Faz oluşumu fiziğin önemli bir bağımsız dalıdır. Bir dernek istatistiksel yöntemler Yakov Ilyich Frenkel, Henry Eyring (1935-1936), John Desmond Bernal ve diğerlerinin çalışmalarındaki maddenin yapısına ilişkin modern fikirler, sıvıların ve katıların moleküler fiziğine yol açtı.

Bilimin sorunları

Moleküler fiziğin kapsadığı konuların kapsamı oldukça geniştir. Şunları inceler: maddenin yapısı ve dış faktörlerin (basınç, sıcaklık, elektromanyetik alan), transfer olaylarının (difüzyon, termal iletkenlik, viskozite), faz dengesi ve faz geçiş süreçlerinin etkisi altındaki değişiklikleri (

BİT'in ana hükümlerinin deneysel olarak doğrulanması:

Moleküler kinetik teorisi– en küçük parçacıklar olarak atomların ve moleküllerin varlığı fikrini kullanan maddenin yapısı ve özellikleri doktrini kimyasal madde. MCT deneysel olarak kanıtlanmış üç ifadeye dayanmaktadır:

· Madde, aralarında boşlukların bulunduğu parçacıklardan - atomlardan ve moleküllerden oluşur;

· Bu parçacıklar, hızı sıcaklıktan etkilenen kaotik bir hareket halindedir;

· Parçacıklar birbirleriyle etkileşime girer.

Bir maddenin gerçekten moleküllerden oluştuğu, boyutları belirlenerek kanıtlanabilir: Bir damla yağ, suyun yüzeyine yayılır ve kalınlığı molekülün çapı kadar bir tabaka oluşturur. 1 mm3 hacimli bir damla 0,6 m2'den fazla yayılamaz:

Moleküllerin varlığını kanıtlamanın başka yolları da vardır ama bunları listelemeye gerek yoktur: modern cihazlar (elektron mikroskobu, iyon projektörü) tek tek atomları ve molekülleri görmenizi sağlar.

Moleküler etkileşim kuvvetleri. a) etkileşim doğası gereği elektromanyetiktir; b) kısa menzilli kuvvetler moleküllerin boyutuyla karşılaştırılabilir mesafelerde tespit edilir; c) Çekme ve itme kuvvetleri eşit olduğunda (R 0) öyle bir mesafe vardır ki, eğer R>R 0 ise, o zaman R ise çekim kuvvetleri hakimdir.

Moleküler çekim kuvvetlerinin etkisi, yüzeyleri temizlendikten sonra birbirine yapışan kurşun silindirlerle yapılan bir deneyde ortaya çıkarıldı.

Moleküller ve atomlar sağlam Komşu atomların çekim ve itme kuvvetlerinin dengelendiği konumlara göre rastgele salınımlar gerçekleştirirler. İÇİNDE sıvılar Moleküller sadece denge konumu etrafında salınmakla kalmaz, aynı zamanda bir denge konumundan diğerine sıçramalar da yapar; moleküllerin bu sıçramaları sıvının akışkanlığının, yani bir kabın şeklini alabilme yeteneğinin nedenidir. İÇİNDE gazlar genellikle atomlar ve moleküller arasındaki mesafeler ortalama olarak moleküllerin boyutlarından çok daha büyüktür; itici kuvvetler uzun mesafelerde etkili olmadığından gazlar kolayca sıkıştırılır; Gaz molekülleri arasında neredeyse hiç çekici kuvvet yoktur, bu nedenle gazlar süresiz olarak genişleme özelliğine sahiptir.

Moleküllerin kütlesi ve boyutu. Avogadro sabiti:

Her madde parçacıklardan oluşur, dolayısıyla madde miktarı parçacık sayısıyla orantılı olduğu kabul edilir. Bir maddenin miktar birimi köstebek . köstebek 0,012 kg karbondaki atom sayısıyla aynı sayıda parçacık içeren bir sistemdeki madde miktarına eşittir.

Molekül sayısının madde miktarına oranına denir. Avogadro sabiti:

Avogadro sabiti

Bir maddenin miktarı, maddenin atom veya molekül sayısının Avogadro sabitine oranı olarak bulunabilir:

Molar kütle bir maddenin kütlesinin madde miktarına oranına eşit bir miktardır:

Molar kütle, molekülün kütlesi cinsinden ifade edilebilir:

Belirlemek için moleküler kütleler bir maddenin kütlesini içindeki molekül sayısına bölmeniz gerekir:

Brown hareketi:

Brown hareketi– bir gaz veya sıvı içinde asılı duran parçacıkların termal hareketi. İngiliz botanikçi Robert Brown (1773 - 1858), 1827'de bir sıvı içinde mikroskopla görülebilen katı parçacıkların rastgele hareketini keşfetti. Bu olaya Brown hareketi adı verildi. Bu hareket durmuyor; sıcaklığın artmasıyla yoğunluğu artar. Brownian hareketi basınç dalgalanmalarının sonucudur (ortalama değerden gözle görülür bir sapma).

Bir parçacığın Brownian hareketinin nedeni, sıvı moleküllerin parçacık üzerindeki etkilerinin birbirini iptal etmemesidir.

Ideal gaz:

Seyreltilmiş bir gazda moleküller arasındaki mesafe, boyutlarından çok daha fazladır. Bu durumda moleküller arasındaki etkileşim ihmal edilebilir düzeydedir ve moleküllerin kinetik enerjisi, etkileşimlerinin potansiyel enerjisinden çok daha büyüktür.

Bir maddenin özelliklerini gaz halinde açıklamak için gerçek gaz yerine fiziksel modeli kullanılır - ideal gaz. Model şunları varsaymaktadır:

Moleküller arasındaki mesafe çaplarından biraz daha büyüktür;

Moleküller elastik toplardır;

Moleküller arasında çekici kuvvetler yoktur;

Moleküller birbirleriyle ve damarın duvarlarıyla çarpıştığında itici kuvvetler etki eder;

Moleküllerin hareketi mekanik kanunlarına uyar.

İdeal bir gazın MKT'sinin temel denklemi:

Temel MCT denklemi, molekülün kütlesi, hızın karesinin ortalama değeri ve moleküllerin konsantrasyonu biliniyorsa gaz basıncını hesaplamaya olanak tanır.

İdeal gaz basıncı moleküllerin bir kabın duvarlarıyla çarpıştıklarında elastik cisimler olarak mekanik yasalarına göre onlarla etkileşime girmeleri gerçeğinde yatmaktadır. Bir molekül bir damarın duvarına çarptığında, hız v x hız vektörünün duvara dik OX eksenine izdüşümünün işareti ters yönde değişir, ancak büyüklük olarak sabit kalır. Dolayısıyla bir molekülün bir duvarla çarpışması sonucunda momentumunun OX eksenine izdüşümü mv 1x = -mv x'ten mv 2x =mv x'e değişir. Bir molekülün bir duvarla çarpışması üzerine momentumundaki değişiklik, duvarın yanından ona etki eden F1 kuvvetinden kaynaklanır. Molekülün momentumundaki değişim bu kuvvetin momentumuna eşittir:

Newton'un üçüncü yasasına göre bir çarpışma sırasında molekül, F1 kuvvetine eşit büyüklükte ve zıt yönde bir F2 kuvvetiyle duvara etki eder.

Pek çok molekül vardır ve her biri çarpışma anında aynı itici gücü duvara aktarır. Bir saniye içinde dürtü iletiyorlar

Tüm moleküllerin aynı hıza sahip olmadığı dikkate alındığında duvara etki eden kuvvet, hızın ortalama karesiyle orantılı olacaktır. Moleküller her yöne hareket ettiğinden öngörülen hızların karelerinin ortalama değerleri eşittir. Bu nedenle hız projeksiyonunun ortalama karesi şöyledir:

İdeal gaz moleküllerinin öteleme hareketinin kinetik enerjisinin ortalama değerini gösteren:

Sıcaklık ve ölçümü:

İdeal bir gaz için temel MKT denklemi, kolayca ölçülebilen makroskobik bir parametre olan basınç ile ortalama kinetik enerji ve moleküler konsantrasyon gibi mikroskobik gaz parametreleri arasında bir bağlantı kurar. Ancak yalnızca basıncı ölçerek tek tek moleküllerin ortalama kinetik enerjisini veya konsantrasyonlarını bulamayız. Sonuç olarak, bir gazın mikroskobik parametrelerini bulmak için, moleküllerin ortalama kinetik enerjisine bağlı diğer bazı fiziksel niceliklerin ölçümlerine ihtiyaç vardır. Bu miktar sıcaklık .

Herhangi bir makroskobik cisim veya makroskobik cisimler grubu, sabit dış koşullar altında kendiliğinden bir termal denge durumuna geçer. Termal denge - Bu, tüm makroskobik parametrelerin istenildiği kadar değişmeden kaldığı bir durumdur.

Sıcaklık, bir cisimler sisteminin termal denge durumunu karakterize eder: sistemin birbirleriyle termal dengede olan tüm gövdeleri aynı sıcaklığa sahiptir .

Sıcaklığı ölçmek için sıcaklığa bağlı olarak herhangi bir makroskobik miktardaki değişikliği kullanabilirsiniz: hacim, basınç, elektrik direnci vb.

Pratikte çoğu zaman sıvı hacminin (cıva veya alkol) sıcaklığa bağımlılığı kullanılır. Bir termometreyi kalibre ederken, eriyen buzun sıcaklığı genellikle referans noktası (0) olarak alınır; ikinci sabit nokta (100), normal atmosfer basıncında (Santigrat ölçeği) suyun kaynama noktası olarak kabul edilir. Farklı sıvılar ısıtıldığında farklı şekilde genişlediğinden, bu şekilde oluşturulan ölçek bir dereceye kadar söz konusu sıvının özelliklerine bağlı olacaktır. Elbette tüm termometreler için 0 ve 100°C çakışacaktır ancak 50°C çakışmayacaktır.

İstatistiksel Fizik makalesinde daha fazlasını okuyun

İstatistiksel yöntem Fiziksel olayların incelenmesi, maddenin iç yapısının modellenmesine dayanmaktadır. Çevre, belirli özelliklere sahip çok sayıda molekülden (atom) oluşan belirli bir fiziksel sistem olarak kabul edilir. Ortamın verilen mikroskobik özelliklerine dayanarak makroskobik özellikleri ve desenleri belirlemek bu yöntemin ana görevidir.
Böylece, kaotik bir şekilde hareket eden bir dizi molekül için, çoğu molekülün doğasında bulunan belirli hız, enerji ve momentum değerleri bulunabilir. Bu tür değerlere en olası denir. Bir dizi molekülün hareketinin özellikleri olan moleküllerin hızının, enerjilerinin, moleküllerin serbest yolunun vb. Ortalama değerlerini belirlemek mümkündür. Bu özellikleri kullanarak makroskobik bir sistemin basınç, mutlak sıcaklık vb. parametrelerini belirlemek mümkündür.
İstatistiksel yöntem, dinamik bir modelde olduğu gibi her bir öğe için ayrı ayrı değil, tüm fenomenler topluluğu için gerekçelendirilen rastgele olayların hayali kaosunda kalıplar oluşturulmasına izin verir. Bu şekilde kurulan ilişkilere istatistiksel modeller denir.
Bu düzenlilikler az sayıda parçacık içeren sistemlere geçişle birlikte anlamını yitirmektedir.
Termodinamik yöntem
Bir maddenin mikroskobik yapısını dikkate almayan ancak onu sürekli bir ortam olarak kabul eden bir süreci tanımlama yöntemine denir. termodinamik.
Fenomenolojik yöntem, fenomeni bir bütün olarak karakterize eden parametreler arasında genel ilişkiler kurmamızı sağlar. Fenomenolojik yasalar doğası gereği çok geneldir ve belirli bir çevrenin rolü, doğrudan deneyimlerden belirlenen katsayılar kullanılarak dikkate alınır. Bu yöntemi kullanarak özellikle ideal ve gerçek gazların yasaları oluşturuldu.
Fenomenolojik araştırma yöntemi termodinamikte kullanılır - termal etkilerle ilişkili çeşitli doğal olaylar için bir fizik dalı, enerjinin bir türden diğerine dönüşüm koşullarını inceler ve bu dönüşümleri niceliksel olarak karakterize eder. Termodinamik, oldukça büyük (makroskopik) cisimler üzerinde çok sayıda gözlem ve deneyin genelleştirilmesine dayanarak oluşturulan üç temel yasaya dayanmaktadır.
Isı mühendisliği, gaz dinamiği, roketçilik vb. alanlarda fenomenolojik yöntemin kullanımının özellikle etkili olduğu ortaya çıktı.
Cisimlerin özellikleri ve iki farklı konumdan (mikroskobik ve makroskobik) meydana gelen değişimler göz önüne alındığında, moleküler fizik ve termodinamik birbirini tamamlar.
Moleküler fiziğin başarıları diğer doğa bilimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle kimya ve biyolojinin gelişimi, başarılarıyla ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır. Gelişim sürecinde moleküler fizikte bağımsız bölümler ortaya çıktı, örneğin: fiziksel kimya, fiziksel kinetik, moleküler biyoloji, katı hal fiziği.
Moleküler fiziğin temel kavramları bilimin bazı özel alanlarında, özellikle metal, polimer ve plazma fiziği, kristal fiziği, fiziksel ve kimyasal mekanikte kullanılmaktadır.
Moleküler fizik, modern malzeme biliminin, vakum teknolojisinin, toz metalurjisinin, soğutma teknolojisinin vb. bilimsel temelidir.
Modern fiziğin önemli bir başarısı yapay zekanın sentezi olmuştur. elmas ve diğer süper sert malzemeler.
Moleküler fizik ve termodinamikteki başarılar, modern ısı motorlarının, gazların sıvılaştırılmasına yönelik soğutma cihazlarının, kimyasal ve gıda üretiminin yaratılmasının temelini oluşturur; meteorolojinin daha da gelişmesine katkıda bulunurlar.