Основные положения МКТ. Строение вещества. Молекула

 1. Задачи курса молекулярная физика и МКТ; макро- и микротела

Для на­ча­ла да­вай­те вспом­ним все преды­ду­щие раз­де­лы фи­зи­ки, ко­то­рые мы изу­ча­ли, и пой­мём, что всё это время мы рас­смат­ри­ва­ли про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие с мак­ро­ско­пи­че­ски­ми те­ла­ми (или объ­ек­та­ми мак­ро­ми­ра). Те­перь же мы будем изу­чать их стро­е­ние и про­цес­сы, про­те­ка­ю­щие внут­ри них.

Опре­де­ле­ние. Мак­ро­ско­пи­че­ское тело – тело, со­сто­я­щее из боль­шо­го числа ча­стиц. На­при­мер: ма­ши­на, че­ло­век, пла­не­та, би­льярд­ный шар…

Мик­ро­ско­пи­че­ское тело – тело, со­сто­я­щее из одной или несколь­ких ча­стиц. На­при­мер: атом, мо­ле­ку­ла, элек­трон… (рис. 1) 

Рис. 1. При­ме­ры мик­ро- и мак­ро­объ­ек­тов со­от­вет­ствен­но

Опре­де­лив таким об­ра­зом пред­мет изу­че­ния курса МКТ, сле­ду­ет те­перь по­го­во­рить об ос­нов­ных целях, ко­то­рые ста­вит перед собой курс МКТ, а имен­но:

Изу­че­ние про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих внут­ри мак­ро­ско­пи­че­ско­го тела (дви­же­ние и вза­и­мо­дей­ствие ча­стиц)

Свой­ства тел (плот­ность, масса, дав­ле­ние (для газов)…)

Изу­че­ние теп­ло­вых яв­ле­ний (на­гре­ва­ние-охла­жде­ние, из­ме­не­ния аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний тела)

Изу­че­ние этих во­про­сов, ко­то­рое будет про­хо­дить на про­тя­же­нии всей темы, нач­нёт­ся сей­час с того, что мы сфор­му­ли­ру­ем так на­зы­ва­е­мые ос­нов­ные по­ло­же­ния МКТ, то есть неко­то­рые утвер­жде­ния, ис­тин­ность ко­то­рых уже давно не под­вер­га­ет­ся со­мне­ни­ям, и, от­тал­ки­ва­ясь от ко­то­рых, будет стро­ить­ся весь даль­ней­ший курс.

Раз­бе­рём их по оче­ре­ди:

 2. Первое основное положение МКТ; молекулы, атомы

Все ве­ще­ства со­сто­ят из боль­шо­го ко­ли­че­ства ча­стиц – мо­ле­кул и ато­мов.

Опре­де­ле­ние. Атом – мель­чай­шая ча­сти­ца хи­ми­че­ско­го эле­мен­та. Раз­ме­ры ато­мов (их диа­метр) имеет по­ря­док  см. Стоит от­ме­тить, что раз­лич­ных типов ато­мов, в от­ли­чие от мо­ле­кул, от­но­си­тель­но немно­го. Все их раз­но­вид­но­сти, ко­то­рые на се­го­дняш­ний день из­вест­ны че­ло­ве­ку, со­бра­ны в так на­зы­ва­е­мой таб­ли­це Мен­де­ле­е­ва (см. рис. 2)

Рис. 2. Пе­ри­о­ди­че­ская таб­ли­ца хи­ми­че­ских эле­мен­тов (по сути раз­но­вид­но­стей ато­мов) Д. И. Мен­де­ле­е­ва

Мо­ле­ку­ла – струк­тур­ная еди­ни­ца ве­ще­ства, со­сто­я­щая из ато­мов. В от­ли­чие от ато­мов, они боль­ше и тя­же­лее по­след­них, а глав­ное, они об­ла­да­ют огром­ным раз­но­об­ра­зи­ем.

Ве­ще­ство, мо­ле­ку­лы ко­то­ро­го со­сто­ят из од­но­го атома, на­зы­ва­ют­ся ато­мар­ны­ми, из боль­ше­го ко­ли­че­ства – мо­ле­ку­ляр­ны­ми. На­при­мер: кис­ло­род, вода, по­ва­рен­ная соль () – мо­ле­ку­ляр­ные; гелий се­реб­ро (He, Ag) – ато­мар­ные.

При­чём сле­ду­ет по­ни­мать, что свой­ства мак­ро­ско­пи­че­ских тел будут за­ви­сеть не толь­ко от ко­ли­че­ствен­ной ха­рак­те­ри­сти­ки их мик­ро­ско­пи­че­ско­го со­ста­ва, но и от ка­че­ствен­ной.

Если в стро­е­нии ато­мов ве­ще­ство имеет ка­кую-то опре­де­лён­ную гео­мет­рию (кри­стал­ли­че­скую ре­шёт­ку), или же, на­о­бо­рот, не имеет, то этим телам будут при­су­щи раз­лич­ные свой­ства. На­при­мер, аморф­ные тела не имеют стро­гой тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния. Самый из­вест­ный при­мер – это аморф­ный гра­фит и кри­стал­ли­че­ский алмаз. Оба ве­ще­ства со­сто­ят из ато­мов уг­ле­ро­да.

Рис. 3. Гра­фит и алмаз со­от­вет­ствен­но

Таким об­ра­зом «из сколь­ких, в каком вза­им­ном рас­по­ло­же­нии и каких ато­мов и мо­ле­кул со­сто­ит ве­ще­ство?» - пер­вый во­прос, ответ на ко­то­рый при­бли­зит нас к по­ни­ма­нию свойств тел.

 3. Второе основное положение МКТ

Все упо­мя­ну­тые выше ча­сти­цы на­хо­дят­ся в непре­рыв­ном теп­ло­вом ха­о­ти­че­ском дви­же­нии.

Так же, как и в рас­смат­ри­ва­е­мых выше при­ме­рах, важно по­ни­ма­ние не толь­ко ко­ли­че­ствен­ных ас­пек­тов этого дви­же­ния, но и ка­че­ствен­ных для раз­лич­ных ве­ществ.

Мо­ле­ку­лы и атомы твёр­дых тел со­вер­ша­ют лишь неболь­шие ко­ле­ба­ния от­но­си­тель­но сво­е­го по­сто­ян­но­го по­ло­же­ния; жид­ких – также со­вер­ша­ют ко­ле­ба­ния, но из-за боль­ших раз­ме­ров меж­мо­ле­ку­ляр­но­го про­стран­ства ино­гда ме­ня­ют­ся ме­ста­ми друг с дру­гом; ча­стич­ки газа, в свою оче­редь, прак­ти­че­ски не стал­ки­ва­ясь, сво­бод­но пе­ре­ме­ща­ют­ся в про­стран­стве.

 4. Третье основное положение МКТ

Ча­сти­цы вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом.

Вза­и­мо­дей­ствие это носит элек­тро­маг­нит­ный ха­рак­тер (вза­и­мо­дей­ствия ядер и элек­тро­нов атома) и дей­ству­ет в обе сто­ро­ны (как при­тя­ги­ва­ние, так и от­тал­ки­ва­ние).

Здесь: d – рас­сто­я­ние между ча­сти­ца­ми; a – раз­ме­ры ча­стиц (диа­метр).

Впер­вые по­ня­тие «атом» было вве­де­но древ­не­гре­че­ским фи­ло­со­фом и есте­ство­ве­дом Де­мо­кри­том (рис. 4). В более позд­ний пе­ри­од ак­тив­но за­дал­ся во­про­сом о струк­ту­ре мик­ро­ми­ра рус­ский учё­ный Ло­мо­но­сов (рис. 5).

Рис. 4. Де­мо­крит

Рис. 5. Ло­мо­но­сов