Κίνηση μορίων σε αέρια, υγρά και στερεά. Τι κατάσταση είναι η απόσταση μεταξύ των μορίων σε αέρια κατάσταση

Στερεά είναι εκείνες οι ουσίες που μπορούν να σχηματίσουν σώματα και να έχουν όγκο. Διαφέρουν από τα υγρά και τα αέρια ως προς το σχήμα τους. Τα στερεά διατηρούν το σχήμα του σώματος λόγω του γεγονότος ότι τα σωματίδια τους δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα. Διαφέρουν ως προς την πυκνότητα, την πλαστικότητα, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και το χρώμα τους. Έχουν και άλλες ιδιότητες. Έτσι, για παράδειγμα, οι περισσότερες από αυτές τις ουσίες λιώνουν κατά τη θέρμανση, αποκτώντας μια υγρή κατάσταση συσσωμάτωσης. Κάποια από αυτά όταν θερμαίνονται μετατρέπονται αμέσως σε αέριο (εξάχνωση). Υπάρχουν όμως και εκείνα που αποσυντίθενται σε άλλες ουσίες.

Τύποι Στερεών

Όλα τα στερεά χωρίζονται σε δύο ομάδες.

1. Άμορφο, στο οποίο μεμονωμένα σωματίδια είναι διατεταγμένα τυχαία. Με άλλα λόγια: δεν έχουν σαφή (καθορισμένη) δομή. Αυτά τα στερεά είναι ικανά να λιώσουν μέσα σε ένα καθορισμένο εύρος θερμοκρασίας. Τα πιο συνηθισμένα από αυτά περιλαμβάνουν γυαλί και ρητίνη.
2. Κρυσταλλικά, τα οποία, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε 4 τύπους: ατομική, μοριακή, ιοντική, μεταλλική. Σε αυτά, τα σωματίδια βρίσκονται μόνο σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο σχέδιο, δηλαδή, στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Η γεωμετρία του σε διάφορες ουσίες μπορεί να ποικίλλει πολύ.

Οι στερεές κρυσταλλικές ουσίες υπερισχύουν των άμορφων ως προς τον αριθμό τους.

Τύποι κρυσταλλικών στερεών

Στη στερεά κατάσταση, σχεδόν όλες οι ουσίες έχουν κρυσταλλική δομή. Διακρίνονται από το πλέγμα τους στους κόμβους τους που περιέχουν διάφορα σωματίδια και χημικά στοιχεία. Είναι σύμφωνα με αυτούς που πήραν τα ονόματά τους. Κάθε τύπος έχει τις δικές του χαρακτηριστικές ιδιότητες:

• Σε ένα ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα, τα σωματίδια ενός στερεού συνδέονται με έναν ομοιοπολικό δεσμό. Ξεχωρίζει για την αντοχή του. Λόγω αυτού, τέτοιες ουσίες διακρίνονται από υψηλό και σημείο βρασμού. Αυτός ο τύπος περιλαμβάνει χαλαζία και διαμάντι.
• Σε ένα μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα, ο δεσμός μεταξύ των σωματιδίων διακρίνεται από την αδυναμία του. Οι ουσίες αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από ευκολία βρασμού και τήξης. Είναι πτητικά, λόγω των οποίων έχουν μια συγκεκριμένη μυρωδιά. Αυτά τα στερεά περιλαμβάνουν τον πάγο και τη ζάχαρη. Οι κινήσεις των μορίων σε στερεά αυτού του τύπου διακρίνονται από τη δραστηριότητά τους.
• Στους κόμβους, τα αντίστοιχα σωματίδια εναλλάσσονται, φορτισμένα θετικά και αρνητικά. Συγκρατούνται μεταξύ τους με ηλεκτροστατική έλξη. Αυτός ο τύπος πλέγματος υπάρχει στα αλκάλια, τα άλατα.Πολλές ουσίες αυτού του τύπου είναι εύκολα διαλυτές στο νερό. Λόγω του αρκετά ισχυρού δεσμού μεταξύ των ιόντων, είναι πυρίμαχα. Σχεδόν όλα είναι άοσμα, αφού χαρακτηρίζονται από μη πτητικότητα. Ουσίες με ιοντικό πλέγμα δεν μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, καθώς δεν περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ιοντικού στερεού είναι το επιτραπέζιο αλάτι. Ένα τέτοιο κρυσταλλικό πλέγμα το κάνει εύθραυστο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οποιαδήποτε μετατόπισή του μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση απωστικών δυνάμεων ιόντων.
• Σε ένα μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα, μόνο θετικά φορτισμένα χημικά ιόντα υπάρχουν στους κόμβους. Ανάμεσά τους υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια από τα οποία διέρχεται τέλεια η θερμική και η ηλεκτρική ενέργεια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οποιαδήποτε μέταλλα διακρίνονται από ένα τέτοιο χαρακτηριστικό όπως η αγωγιμότητα.

Γενικές έννοιες ενός άκαμπτου σώματος

Τα στερεά και οι ουσίες είναι πρακτικά το ίδιο πράγμα. Αυτοί οι όροι αναφέρονται σε μία από τις 4 καταστάσεις συνάθροισης. Τα στερεά έχουν σταθερό σχήμα και τη φύση της θερμικής κίνησης των ατόμων. Επιπλέον, οι τελευταίοι κάνουν μικρές ταλαντώσεις κοντά στις θέσεις ισορροπίας. Ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με τη μελέτη της σύνθεσης και της εσωτερικής δομής ονομάζεται φυσική στερεάς κατάστασης. Υπάρχουν άλλοι σημαντικοί τομείς γνώσης που ασχολούνται με τέτοιες ουσίες. Η αλλαγή του σχήματος υπό εξωτερικές επιρροές και κίνηση ονομάζεται μηχανική ενός παραμορφώσιμου σώματος.

Λόγω των διαφορετικών ιδιοτήτων των στερεών, έχουν βρει εφαρμογή σε διάφορες τεχνικές συσκευές που δημιούργησε ο άνθρωπος. Τις περισσότερες φορές, η χρήση τους βασίστηκε σε ιδιότητες όπως σκληρότητα, όγκος, μάζα, ελαστικότητα, πλαστικότητα, ευθραυστότητα. Η σύγχρονη επιστήμη επιτρέπει τη χρήση άλλων ποιοτήτων στερεών που μπορούν να βρεθούν μόνο στο εργαστήριο.

Τι είναι οι κρύσταλλοι

Οι κρύσταλλοι είναι στερεά σώματα με σωματίδια διατεταγμένα με συγκεκριμένη σειρά. Το καθένα έχει τη δική του δομή. Τα άτομά του σχηματίζουν μια τρισδιάστατη περιοδική διάταξη που ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα. Τα στερεά έχουν διαφορετικές δομικές συμμετρίες. Η κρυσταλλική κατάσταση ενός στερεού θεωρείται σταθερή επειδή έχει μια ελάχιστη ποσότητα δυναμικής ενέργειας.

Η συντριπτική πλειονότητα των στερεών αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό μεμονωμένων κόκκων με τυχαία προσανατολισμό (κρυσταλλίτες). Τέτοιες ουσίες ονομάζονται πολυκρυσταλλικές. Αυτά περιλαμβάνουν τεχνικά κράματα και μέταλλα, καθώς και πολλά πετρώματα. Το μονοκρυσταλλικό αναφέρεται σε μεμονωμένους φυσικούς ή συνθετικούς κρυστάλλους.

Τις περισσότερες φορές, τέτοια στερεά σχηματίζονται από την κατάσταση της υγρής φάσης, που αντιπροσωπεύεται από ένα τήγμα ή διάλυμα. Μερικές φορές λαμβάνονται από την αέρια κατάσταση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται κρυστάλλωση. Χάρη στην επιστημονική και τεχνολογική πρόοδο, η διαδικασία για την καλλιέργεια (σύνθεση) διαφόρων ουσιών έχει αποκτήσει βιομηχανική κλίμακα. Οι περισσότεροι κρύσταλλοι έχουν φυσική μορφή με τη μορφή Τα μεγέθη τους είναι πολύ διαφορετικά. Έτσι, ο φυσικός χαλαζίας (πέτρα κρύσταλλος) μπορεί να ζυγίζει έως και εκατοντάδες κιλά και τα διαμάντια - έως και αρκετά γραμμάρια.

Στα άμορφα στερεά, τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή ταλάντωση γύρω από τυχαία σημεία. Διατηρούν μια ορισμένη σειρά μικρής εμβέλειας, αλλά δεν υπάρχει παραγγελία μεγάλης εμβέλειας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόριά τους βρίσκονται σε απόσταση που μπορεί να συγκριθεί με το μέγεθός τους. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα τέτοιου στερεού στη ζωή μας είναι η υαλώδης κατάσταση. θεωρείται συχνά ως υγρό με απείρως υψηλό ιξώδες. Ο χρόνος της κρυστάλλωσής τους είναι μερικές φορές τόσο μεγάλος που δεν φαίνεται καθόλου.

Οι παραπάνω ιδιότητες αυτών των ουσιών είναι που τις κάνουν μοναδικές. Τα άμορφα στερεά θεωρούνται ασταθή επειδή μπορούν να γίνουν κρυσταλλικά με την πάροδο του χρόνου.

Τα μόρια και τα άτομα που συνθέτουν ένα στερεό είναι συσκευασμένα σε υψηλή πυκνότητα. Πρακτικά διατηρούν την αμοιβαία θέση τους σε σχέση με άλλα σωματίδια και συγκρατούνται μαζί λόγω της διαμοριακής αλληλεπίδρασης. Η απόσταση μεταξύ των μορίων ενός στερεού σε διαφορετικές κατευθύνσεις ονομάζεται παράμετρος πλέγματος. Η δομή της ύλης και η συμμετρία της καθορίζουν πολλές ιδιότητες, όπως η ζώνη ηλεκτρονίων, η διάσπαση και η οπτική. Όταν εφαρμόζεται μια αρκετά μεγάλη δύναμη σε ένα στερεό, αυτές οι ιδιότητες μπορούν να παραβιαστούν στον ένα ή τον άλλο βαθμό. Σε αυτή την περίπτωση, το συμπαγές σώμα υπόκειται σε μόνιμη παραμόρφωση.

Τα άτομα των στερεών εκτελούν ταλαντωτικές κινήσεις, οι οποίες καθορίζουν την κατοχή τους σε θερμική ενέργεια. Δεδομένου ότι είναι αμελητέα, μπορούν να παρατηρηθούν μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες. η στερεά ύλη επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητές της.

Μελέτη στερεών

Τα χαρακτηριστικά, οι ιδιότητες αυτών των ουσιών, οι ιδιότητές τους και η κίνηση των σωματιδίων μελετώνται από διάφορες υποενότητες της φυσικής στερεάς κατάστασης.

Για την έρευνα, χρησιμοποιούνται ραδιοφασματοσκοπία, δομική ανάλυση με χρήση ακτίνων Χ και άλλες μέθοδοι. Έτσι μελετώνται οι μηχανικές, φυσικές και θερμικές ιδιότητες των στερεών. Η σκληρότητα, η αντοχή στο φορτίο, η αντοχή σε εφελκυσμό, οι μετασχηματισμοί φάσης μελετώνται από την επιστήμη των υλικών. Απηχεί σε μεγάλο βαθμό τη φυσική στερεάς κατάστασης. Υπάρχει μια άλλη σημαντική σύγχρονη επιστήμη. Η μελέτη των υπαρχόντων και η σύνθεση νέων ουσιών πραγματοποιούνται με τη χημεία στερεάς κατάστασης.

Χαρακτηριστικά στερεών

Η φύση της κίνησης των εξωτερικών ηλεκτρονίων των ατόμων ενός στερεού καθορίζει πολλές από τις ιδιότητές του, για παράδειγμα, τις ηλεκτρικές. Υπάρχουν 5 κατηγορίες τέτοιων σωμάτων. Ρυθμίζονται ανάλογα με τον τύπο του ατομικού δεσμού:

• Ιονικό, το κύριο χαρακτηριστικό του οποίου είναι η δύναμη της ηλεκτροστατικής έλξης. Τα χαρακτηριστικά του: αντανάκλαση και απορρόφηση φωτός στην υπέρυθρη περιοχή. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, ο ιονικός δεσμός χαρακτηρίζεται από χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ένα παράδειγμα τέτοιας ουσίας είναι το άλας νατρίου του υδροχλωρικού οξέος (NaCl).
• Ομοιοπολικό, που πραγματοποιείται λόγω του ζεύγους ηλεκτρονίων, το οποίο ανήκει και στα δύο άτομα. Ένας τέτοιος δεσμός χωρίζεται σε: μονό (απλό), διπλό και τριπλό. Αυτά τα ονόματα υποδηλώνουν την παρουσία ζευγών ηλεκτρονίων (1, 2, 3). Οι διπλοί και τριπλοί δεσμοί ονομάζονται πολλαπλοί δεσμοί. Υπάρχει μια άλλη διαίρεση αυτής της ομάδας. Έτσι, ανάλογα με την κατανομή της πυκνότητας των ηλεκτρονίων, διακρίνονται οι πολικοί και οι μη πολικοί δεσμοί. Το πρώτο σχηματίζεται από διαφορετικά άτομα και το δεύτερο είναι το ίδιο. Μια τέτοια στερεά κατάσταση της ύλης, παραδείγματα της οποίας είναι το διαμάντι (C) και το πυρίτιο (Si), διακρίνεται από την πυκνότητά της. Οι πιο σκληροί κρύσταλλοι ανήκουν ειδικά στον ομοιοπολικό δεσμό.
• Μεταλλικό, που σχηματίζεται από το συνδυασμό των ηλεκτρονίων σθένους των ατόμων. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα κοινό νέφος ηλεκτρονίων, το οποίο μετατοπίζεται υπό την επίδραση της ηλεκτρικής τάσης. Ένας μεταλλικός δεσμός σχηματίζεται όταν τα συνδεδεμένα άτομα είναι μεγάλα. Είναι ικανά να δωρίσουν ηλεκτρόνια. Σε πολλά μέταλλα και σύνθετες ενώσεις, αυτός ο δεσμός σχηματίζει μια στερεή κατάσταση της ύλης. Παραδείγματα: νάτριο, βάριο, αλουμίνιο, χαλκός, χρυσός. Από τις μη μεταλλικές ενώσεις, μπορούν να σημειωθούν τα ακόλουθα: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Οι ουσίες με μεταλλικό δεσμό (μέταλλα) είναι διαφορετικές ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες. Μπορούν να είναι υγρά (Hg), μαλακά (Na, K), πολύ σκληρά (W, Nb).
• Μοριακό, που προκύπτει σε κρυστάλλους, οι οποίοι σχηματίζονται από μεμονωμένα μόρια μιας ουσίας. Χαρακτηρίζεται από κενά μεταξύ μορίων με μηδενική πυκνότητα ηλεκτρονίων. Οι δυνάμεις που δεσμεύουν τα άτομα σε τέτοιους κρυστάλλους είναι σημαντικές. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια έλκονται μεταξύ τους μόνο από μια ασθενή διαμοριακή έλξη. Γι' αυτό οι δεσμοί μεταξύ τους καταστρέφονται εύκολα όταν θερμαίνονται. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων είναι πολύ πιο δύσκολο να σπάσουν. Ο μοριακός δεσμός υποδιαιρείται σε προσανατολισμό, διασπορά και επαγωγικό. Ένα παράδειγμα τέτοιας ουσίας είναι το στερεό μεθάνιο.
• Υδρογόνο, το οποίο εμφανίζεται μεταξύ των θετικά πολωμένων ατόμων ενός μορίου ή μέρους του και του αρνητικά πολωμένου μικρότερου σωματιδίου άλλου μορίου ή άλλου μέρους. Ο πάγος μπορεί να αποδοθεί σε τέτοιους δεσμούς.

Ιδιότητες στερεών

Τι γνωρίζουμε σήμερα; Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει εδώ και καιρό τις ιδιότητες της στερεάς κατάστασης της ύλης. Όταν εκτίθεται σε θερμοκρασία, αλλάζει επίσης. Η μετάβαση ενός τέτοιου σώματος σε υγρό ονομάζεται τήξη. Η μετατροπή ενός στερεού σε αέρια κατάσταση ονομάζεται εξάχνωση. Όταν η θερμοκρασία πέσει, εμφανίζεται η κρυστάλλωση του στερεού. Ορισμένες ουσίες υπό την επίδραση του κρύου περνούν στην άμορφη φάση. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη διαδικασία υαλοποίηση.

Στο , η εσωτερική δομή των στερεών αλλάζει. Αποκτά τη μεγαλύτερη τάξη με τη μείωση της θερμοκρασίας. Σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία T > 0 K, όποιες ουσίες υπάρχουν στη φύση στερεοποιούνται. Μόνο το ήλιο, το οποίο απαιτεί πίεση 24 atm για να κρυσταλλωθεί, αποτελεί εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα.

Η στερεά κατάσταση μιας ουσίας της προσδίδει διάφορες φυσικές ιδιότητες. Χαρακτηρίζουν τη συγκεκριμένη συμπεριφορά των σωμάτων υπό την επίδραση ορισμένων πεδίων και δυνάμεων. Αυτά τα ακίνητα χωρίζονται σε ομάδες. Υπάρχουν 3 τρόποι έκθεσης, που αντιστοιχούν σε 3 είδη ενέργειας (μηχανική, θερμική, ηλεκτρομαγνητική). Κατά συνέπεια, υπάρχουν 3 ομάδες φυσικών ιδιοτήτων των στερεών:

• Μηχανικές ιδιότητες που σχετίζονται με την καταπόνηση και την παραμόρφωση των σωμάτων. Σύμφωνα με αυτά τα κριτήρια, τα στερεά διακρίνονται σε ελαστικά, ρεολογικά, αντοχής και τεχνολογικά. Σε ηρεμία, ένα τέτοιο σώμα διατηρεί το σχήμα του, αλλά μπορεί να αλλάξει υπό τη δράση μιας εξωτερικής δύναμης. Ταυτόχρονα, η παραμόρφωσή του μπορεί να είναι πλαστική (η αρχική μορφή δεν επιστρέφει), ελαστική (επιστρέφει στην αρχική της μορφή) ή καταστροφική (η αποσύνθεση/θραύση συμβαίνει όταν επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο όριο). Η απόκριση στην εφαρμοζόμενη δύναμη περιγράφεται από τους συντελεστές ελαστικότητας. Ένα συμπαγές σώμα αντιστέκεται όχι μόνο στη συμπίεση, το τέντωμα, αλλά και τις μετατοπίσεις, τη στρέψη και την κάμψη. Η δύναμη ενός στερεού σώματος είναι η ιδιότητά του να αντιστέκεται στην καταστροφή.
• Θερμική, που εκδηλώνεται όταν εκτίθεται σε θερμικά πεδία. Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες είναι το σημείο τήξης στο οποίο το σώμα περνά σε υγρή κατάσταση. Παρατηρείται σε κρυσταλλικά στερεά. Τα άμορφα σώματα έχουν μια λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης, αφού η μετάβασή τους σε υγρή κατάσταση με την αύξηση της θερμοκρασίας γίνεται σταδιακά. Όταν φτάσει σε μια ορισμένη θερμότητα, το άμορφο σώμα χάνει την ελαστικότητά του και αποκτά πλαστικότητα. Αυτή η κατάσταση σημαίνει ότι έχει φτάσει τη θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού. Όταν θερμαίνεται, εμφανίζεται η παραμόρφωση του στερεού. Και τις περισσότερες φορές επεκτείνεται. Ποσοτικά, αυτή η κατάσταση χαρακτηρίζεται από έναν ορισμένο συντελεστή. Η θερμοκρασία του σώματος επηρεάζει μηχανικά χαρακτηριστικά όπως η ρευστότητα, η ολκιμότητα, η σκληρότητα και η αντοχή.
• Ηλεκτρομαγνητικό, που σχετίζεται με την πρόσκρουση σε στερεά ουσία ροών μικροσωματιδίων και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής ακαμψίας. Οι ιδιότητες ακτινοβολίας αναφέρονται υπό όρους σε αυτές.

Δομή μπάντας

Τα στερεά ταξινομούνται επίσης σύμφωνα με τη λεγόμενη δομή ζώνης. Ανάμεσά τους λοιπόν διακρίνονται:

• Αγωγοί που χαρακτηρίζονται από το ότι οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους αλληλεπικαλύπτονται. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ανάμεσά τους, λαμβάνοντας την παραμικρή ενέργεια. Όλα τα μέταλλα είναι αγωγοί. Όταν εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού σε ένα τέτοιο σώμα, σχηματίζεται ηλεκτρικό ρεύμα (λόγω της ελεύθερης κίνησης των ηλεκτρονίων μεταξύ σημείων με το χαμηλότερο και το υψηλότερο δυναμικό).
• Διηλεκτρικά των οποίων οι ζώνες δεν αλληλεπικαλύπτονται. Το διάστημα μεταξύ τους υπερβαίνει τα 4 eV. Απαιτείται πολλή ενέργεια για να μεταφέρει τα ηλεκτρόνια από το σθένος στη ζώνη αγωγιμότητας. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, τα διηλεκτρικά πρακτικά δεν μεταφέρουν ρεύμα.
• Ημιαγωγοί που χαρακτηρίζονται από την απουσία ζωνών αγωγιμότητας και σθένους. Το διάστημα μεταξύ τους είναι μικρότερο από 4 eV. Για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το σθένος στη ζώνη αγωγιμότητας, απαιτείται λιγότερη ενέργεια από ό,τι για τα διηλεκτρικά. Οι καθαροί (χωρίς και εγγενείς) ημιαγωγοί δεν περνούν καλά το ρεύμα.

Οι μοριακές κινήσεις στα στερεά καθορίζουν τις ηλεκτρομαγνητικές τους ιδιότητες.

Άλλα ακίνητα

Τα στερεά υποδιαιρούνται επίσης ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Υπάρχουν τρεις ομάδες:

• Διαμαγνήτες, οι ιδιότητες των οποίων εξαρτώνται ελάχιστα από τη θερμοκρασία ή την κατάσταση συσσωμάτωσης.
• Παραμαγνήτες, που είναι συνέπεια του προσανατολισμού των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας και των μαγνητικών ροπών των ατόμων. Σύμφωνα με το νόμο του Κιουρί, η ευαισθησία τους μειώνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Έτσι, στους 300 K είναι 10 -5 .
• Σώματα με διατεταγμένη μαγνητική δομή, με τάξη ατόμων μεγάλης εμβέλειας. Στους κόμβους του πλέγματος τους εντοπίζονται περιοδικά σωματίδια με μαγνητικές ροπές. Τέτοια στερεά και ουσίες χρησιμοποιούνται συχνά σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας.

Οι πιο σκληρές ουσίες στη φύση

Τι είναι? Η πυκνότητα των στερεών καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη σκληρότητά τους. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες ανακάλυψαν αρκετά υλικά που ισχυρίζονται ότι είναι το «πιο ανθεκτικό σώμα». Η πιο σκληρή ουσία είναι ο φουλερίτης (κρύσταλλος με μόρια φουλερενίου), ο οποίος είναι περίπου 1,5 φορές σκληρότερος από το διαμάντι. Δυστυχώς, προς το παρόν διατίθεται μόνο σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες.

Μέχρι σήμερα, η πιο σκληρή ουσία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον στη βιομηχανία είναι ο lonsdaleite (εξαγωνικό διαμάντι). Είναι 58% πιο σκληρό από το διαμάντι. Ο Lonsdaleite είναι μια αλλοτροπική τροποποίηση του άνθρακα. Το κρυστάλλινο πλέγμα του μοιάζει πολύ με το διαμάντι. Ένα κύτταρο lonsdaleite περιέχει 4 άτομα και ένα διαμάντι - 8. Από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους κρυστάλλους, το διαμάντι παραμένει το πιο σκληρό σήμερα.

1. Η δομή των αέριων, υγρών και στερεών σωμάτων

Η μοριακή κινητική θεωρία καθιστά δυνατό να κατανοήσουμε γιατί μια ουσία μπορεί να βρίσκεται σε αέρια, υγρή και στερεή κατάσταση.
Αέρια.Στα αέρια, η απόσταση μεταξύ των ατόμων ή των μορίων είναι, κατά μέσο όρο, πολλές φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος των ίδιων των μορίων ( εικ.8.5). Για παράδειγμα, σε ατμοσφαιρική πίεση, ο όγκος ενός δοχείου είναι δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερος από τον όγκο των μορίων που περιέχονται σε αυτό.

Τα αέρια συμπιέζονται εύκολα, ενώ η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων μειώνεται, αλλά το σχήμα του μορίου δεν αλλάζει ( εικ.8.6).

Μόρια με τεράστιες ταχύτητες - εκατοντάδες μέτρα το δευτερόλεπτο - κινούνται στο διάστημα. Σε σύγκρουση, αναπηδούν ο ένας από τον άλλο προς διαφορετικές κατευθύνσεις σαν μπάλες μπιλιάρδου. Οι ασθενείς δυνάμεις έλξης των μορίων αερίου δεν είναι σε θέση να τα κρατήσουν κοντά το ένα στο άλλο. Να γιατί τα αέρια μπορούν να διαστέλλονται επ' αόριστον. Δεν διατηρούν ούτε σχήμα ούτε όγκο.
Πολυάριθμες κρούσεις μορίων στα τοιχώματα του δοχείου δημιουργούν πίεση αερίου.

Υγρά. Τα μόρια ενός υγρού βρίσκονται σχεδόν κοντά το ένα στο άλλο ( εικ.8.7), επομένως ένα μόριο υγρού συμπεριφέρεται διαφορετικά από ένα μόριο αερίου. Στα υγρά, υπάρχει η λεγόμενη τάξη μικρής εμβέλειας, δηλαδή, η διατεταγμένη διάταξη των μορίων διατηρείται σε αποστάσεις ίσες με πολλές μοριακές διαμέτρους. Το μόριο ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας του, συγκρούοντας με γειτονικά μόρια. Μόνο από καιρό σε καιρό κάνει άλλο ένα «άλμα», πέφτοντας σε νέα θέση ισορροπίας. Σε αυτή τη θέση ισορροπίας, η απωστική δύναμη είναι ίση με την ελκτική δύναμη, δηλαδή η συνολική δύναμη αλληλεπίδρασης του μορίου είναι μηδέν. χρόνος τακτοποιημένη ζωήτα μόρια του νερού, δηλαδή ο χρόνος των ταλαντώσεων του γύρω από μια συγκεκριμένη θέση ισορροπίας σε θερμοκρασία δωματίου, είναι κατά μέσο όρο 10 -11 s. Ο χρόνος μιας ταλάντωσης είναι πολύ μικρότερος (10 -12 -10 -13 s). Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο χρόνος της καθιζάνουσας ζωής των μορίων μειώνεται.

Η φύση της μοριακής κίνησης στα υγρά, που καθιερώθηκε για πρώτη φορά από τον Σοβιετικό φυσικό Ya.I. Frenkel, καθιστά δυνατή την κατανόηση των βασικών ιδιοτήτων των υγρών.
Τα υγρά μόρια βρίσκονται ακριβώς το ένα δίπλα στο άλλο. Με τη μείωση του όγκου, οι απωστικές δυνάμεις γίνονται πολύ μεγάλες. Αυτό εξηγεί χαμηλή συμπιεστότητα υγρών.
Ως γνωστόν, Τα υγρά είναι ρευστά, δηλαδή δεν διατηρούν το σχήμα τους. Μπορεί να εξηγηθεί έτσι. Η εξωτερική δύναμη δεν αλλάζει αισθητά τον αριθμό των μοριακών αλμάτων ανά δευτερόλεπτο. Αλλά τα άλματα μορίων από τη μια καθιζημένη θέση στην άλλη συμβαίνουν κυρίως προς την κατεύθυνση της εξωτερικής δύναμης ( εικ.8.8). Γι' αυτό το υγρό ρέει και παίρνει τη μορφή αγγείου.

Στερεά.Τα άτομα ή τα μόρια των στερεών, σε αντίθεση με τα άτομα και τα μόρια των υγρών, δονούνται γύρω από ορισμένες θέσεις ισορροπίας. Για το λόγο αυτό στερεά διατηρούν όχι μόνο τον όγκο αλλά και το σχήμα. Η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης των μορίων του στερεού σώματος είναι πολύ μεγαλύτερη από την κινητική τους ενέργεια.
Υπάρχει μια άλλη σημαντική διαφορά μεταξύ υγρών και στερεών. Ένα υγρό μπορεί να συγκριθεί με ένα πλήθος ανθρώπων, όπου μεμονωμένα άτομα κινούνται ανήσυχα στη θέση τους, και ένα συμπαγές σώμα είναι σαν μια λεπτή ομάδα των ίδιων ατόμων που, αν και δεν στέκονται προσοχή, διατηρούν κατά μέσο όρο ορισμένες αποστάσεις μεταξύ τους . Αν συνδέσουμε τα κέντρα θέσεων ισορροπίας ατόμων ή ιόντων ενός στερεού σώματος, τότε παίρνουμε το σωστό χωρικό πλέγμα, που ονομάζεται κρυστάλλινος.
Τα σχήματα 8.9 και 8.10 δείχνουν τα κρυσταλλικά πλέγματα από επιτραπέζιο αλάτι και διαμάντι. Η εσωτερική τάξη στη διάταξη των κρυσταλλικών ατόμων οδηγεί σε κανονικά εξωτερικά γεωμετρικά σχήματα.

Το Σχήμα 8.11 δείχνει τα διαμάντια Yakutian.

Για ένα αέριο, η απόσταση l μεταξύ των μορίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τις διαστάσεις των μορίων r 0:" l>>r 0 .
Τα υγρά και τα στερεά έχουν l≈r 0 . Τα μόρια ενός υγρού είναι διατεταγμένα σε αταξία και από καιρό σε καιρό πηδούν από τη μια καθιζημένη θέση στην άλλη.
Στα κρυσταλλικά στερεά, τα μόρια (ή τα άτομα) είναι διατεταγμένα με αυστηρά διατεταγμένο τρόπο.

2. Ιδανικό αέριο στη μοριακή κινητική θεωρία

Η μελέτη οποιουδήποτε τομέα της φυσικής ξεκινά πάντα με την εισαγωγή ενός συγκεκριμένου μοντέλου, στο πλαίσιο του οποίου διεξάγεται η μελέτη στο μέλλον. Για παράδειγμα, όταν μελετούσαμε κινηματική, το μοντέλο του σώματος ήταν ένα υλικό σημείο κ.λπ. Όπως μπορεί να έχετε μαντέψει, το μοντέλο δεν θα αντιστοιχεί ποτέ στις πραγματικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα, αλλά συχνά πλησιάζει πολύ σε αυτήν την αντιστοιχία.

Η μοριακή φυσική, και ειδικότερα η ΜΚΤ, δεν αποτελεί εξαίρεση. Πολλοί επιστήμονες έχουν εργαστεί στο πρόβλημα της περιγραφής του μοντέλου από τον δέκατο όγδοο αιώνα: M. Lomonosov, D. Joule, R. Clausius (Εικ. 1). Ο τελευταίος, μάλιστα, εισήγαγε το ιδανικό μοντέλο αερίου το 1857. Μια ποιοτική εξήγηση των βασικών ιδιοτήτων της ύλης με βάση τη μοριακή κινητική θεωρία δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Ωστόσο, η θεωρία που καθιερώνει ποσοτικές σχέσεις μεταξύ πειραματικά μετρούμενων μεγεθών (πίεση, θερμοκρασία κ.λπ.) και τις ιδιότητες των ίδιων των μορίων, τον αριθμό και την ταχύτητα κίνησης τους, είναι πολύ περίπλοκη. Σε ένα αέριο σε συνηθισμένες πιέσεις, η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από το μέγεθός τους. Σε αυτή την περίπτωση, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων είναι αμελητέες και η κινητική ενέργεια των μορίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης. Τα μόρια αερίου μπορούν να θεωρηθούν ως υλικά σημεία ή πολύ μικρές στερεές μπάλες. Αντί πραγματικό αέριο, μεταξύ των μορίων των οποίων δρουν πολύπλοκες δυνάμεις αλληλεπίδρασης, θα το εξετάσουμε Το μοντέλο είναι ιδανικό αέριο.

Ιδανικό αέριο– μοντέλο αερίου, στο οποίο τα μόρια και τα άτομα του αερίου αναπαρίστανται ως πολύ μικρές (εξαφανιζόμενα μεγέθη) ελαστικές μπάλες που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους (χωρίς άμεση επαφή), αλλά μόνο συγκρούονται (βλ. Εικ. 2).

Πρέπει να σημειωθεί ότι το αραιωμένο υδρογόνο (υπό πολύ χαμηλή πίεση) ικανοποιεί σχεδόν πλήρως το ιδανικό μοντέλο αερίου.

Ρύζι. 2.

Ιδανικό αέριοείναι ένα αέριο, η αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων του οποίου είναι αμελητέα. Φυσικά, όταν τα μόρια ενός ιδανικού αερίου συγκρούονται, μια απωστική δύναμη ενεργεί πάνω τους. Εφόσον, σύμφωνα με το μοντέλο, μπορούμε να θεωρήσουμε τα μόρια αερίου ως υλικά σημεία, παραμελούμε τα μεγέθη των μορίων, υποθέτοντας ότι ο όγκος που καταλαμβάνουν είναι πολύ μικρότερος από τον όγκο του δοχείου.
Θυμηθείτε ότι σε ένα φυσικό μοντέλο λαμβάνονται υπόψη μόνο εκείνες οι ιδιότητες ενός πραγματικού συστήματος, η εξέταση των οποίων είναι απολύτως απαραίτητη για να εξηγηθούν τα μελετημένα πρότυπα συμπεριφοράς αυτού του συστήματος. Κανένα μοντέλο δεν μπορεί να μεταφέρει όλες τις ιδιότητες του συστήματος. Τώρα πρέπει να λύσουμε ένα μάλλον στενό πρόβλημα: να υπολογίσουμε, χρησιμοποιώντας τη μοριακή-κινητική θεωρία, την πίεση ενός ιδανικού αερίου στα τοιχώματα ενός αγγείου. Για αυτό το πρόβλημα, το ιδανικό μοντέλο αερίου αποδεικνύεται αρκετά ικανοποιητικό. Οδηγεί σε αποτελέσματα που επιβεβαιώνονται από την εμπειρία.

3. Πίεση αερίου στη μοριακή κινητική θεωρία Αφήστε το αέριο να βρίσκεται σε κλειστό δοχείο. Το μανόμετρο δείχνει την πίεση του αερίου p0. Πώς προκύπτει αυτή η πίεση;
Κάθε μόριο αερίου, χτυπώντας τον τοίχο, δρα σε αυτό με μια ορισμένη δύναμη για μικρό χρονικό διάστημα. Ως αποτέλεσμα τυχαίων κρούσεων στον τοίχο, η πίεση αλλάζει γρήγορα με το χρόνο, περίπου όπως φαίνεται στο Σχήμα 8.12. Ωστόσο, τα αποτελέσματα που προκαλούνται από τις κρούσεις μεμονωμένων μορίων είναι τόσο αδύναμα που δεν καταγράφονται από το μανόμετρο. Το μανόμετρο καταγράφει τη μέση χρονική δύναμη που ασκείται σε κάθε μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας του ευαίσθητου στοιχείου του - της μεμβράνης. Παρά τις μικρές αλλαγές πίεσης, η μέση πίεση p0Στην πράξη, αποδεικνύεται ότι είναι μια αρκετά συγκεκριμένη τιμή, καθώς υπάρχουν πολλές κρούσεις στον τοίχο και οι μάζες των μορίων είναι πολύ μικρές.

Ένα ιδανικό αέριο είναι ένα μοντέλο ενός πραγματικού αερίου. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα μόρια αερίου μπορούν να θεωρηθούν ως υλικά σημεία, η αλληλεπίδραση των οποίων συμβαίνει μόνο όταν συγκρούονται. Σε σύγκρουση με το τοίχωμα, τα μόρια αερίου ασκούν πίεση σε αυτό.

4. Μικρο- και μακρο-παράμετροι αερίου

Τώρα μπορούμε να αρχίσουμε να περιγράφουμε τις παραμέτρους ενός ιδανικού αερίου. Χωρίζονται σε δύο ομάδες:

Παράμετροι ιδανικού αερίου

Δηλαδή, οι μικροπαράμετροι περιγράφουν την κατάσταση ενός μεμονωμένου σωματιδίου (μικροσώματος) και οι μακροπαράμετροι περιγράφουν την κατάσταση ολόκληρου του τμήματος αερίου (μακροσώματος). Ας γράψουμε τώρα τη σχέση που συνδέει κάποιες παραμέτρους με άλλες ή τη βασική εξίσωση του ΜΚΤ:

Εδώ: - η μέση ταχύτητα των σωματιδίων.

Ορισμός. - συγκέντρωσησωματίδια αερίου - ο αριθμός των σωματιδίων ανά μονάδα όγκου. ; μονάδα - .

5. Μέση τιμή της τετραγωνικής ταχύτητας των μορίων

Για να υπολογίσετε τη μέση πίεση, πρέπει να γνωρίζετε τη μέση ταχύτητα των μορίων (ακριβέστερα, τη μέση τιμή του τετραγώνου της ταχύτητας). Αυτή δεν είναι εύκολη ερώτηση. Έχετε συνηθίσει στο γεγονός ότι κάθε σωματίδιο έχει ταχύτητα. Η μέση ταχύτητα των μορίων εξαρτάται από την κίνηση όλων των σωματιδίων.
Μέσες τιμές.Από την αρχή, πρέπει να εγκαταλείψει κανείς την προσπάθεια παρακολούθησης της κίνησης όλων των μορίων που απαρτίζουν το αέριο. Είναι πάρα πολλοί και κινούνται πολύ δύσκολα. Δεν χρειάζεται να ξέρουμε πώς κινείται κάθε μόριο. Πρέπει να βρούμε σε ποιο αποτέλεσμα οδηγεί η κίνηση όλων των μορίων αερίου.
Η φύση της κίνησης ολόκληρου του συνόλου των μορίων αερίου είναι γνωστή από την εμπειρία. Τα μόρια συμμετέχουν σε τυχαία (θερμική) κίνηση. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα οποιουδήποτε μορίου μπορεί να είναι είτε πολύ μεγάλη είτε πολύ μικρή. Η κατεύθυνση κίνησης των μορίων αλλάζει συνεχώς όταν συγκρούονται μεταξύ τους.
Ωστόσο, οι ταχύτητες των μεμονωμένων μορίων μπορεί να είναι οτιδήποτε μέση τιμήη τιμή του συντελεστή αυτών των ταχυτήτων είναι αρκετά καθορισμένη. Ομοίως, το ύψος των μαθητών της τάξης δεν είναι το ίδιο, αλλά η μέση τιμή του είναι ένας συγκεκριμένος αριθμός. Για να βρείτε αυτόν τον αριθμό, πρέπει να προσθέσετε το ύψος μεμονωμένων μαθητών και να διαιρέσετε αυτό το ποσό με τον αριθμό των μαθητών.
Η μέση τιμή του τετραγώνου της ταχύτητας.Στο μέλλον, θα χρειαστούμε τη μέση τιμή όχι της ίδιας της ταχύτητας, αλλά του τετραγώνου της ταχύτητας. Η μέση κινητική ενέργεια των μορίων εξαρτάται από αυτή την τιμή. Και η μέση κινητική ενέργεια των μορίων, όπως θα δούμε σύντομα, έχει μεγάλη σημασία σε ολόκληρη τη μοριακή-κινητική θεωρία.
Ας υποδηλώσουμε τους συντελεστές ταχύτητας μεμονωμένων μορίων αερίου ως . Η μέση τιμή του τετραγώνου της ταχύτητας καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:

Οπου Νείναι ο αριθμός των μορίων στο αέριο.
Αλλά το τετράγωνο του συντελεστή οποιουδήποτε διανύσματος είναι ίσο με το άθροισμα των τετραγώνων των προβολών του στους άξονες συντεταγμένων OH, OY, OZ. Να γιατί

Οι μέσες τιμές των ποσοτήτων μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας τύπους παρόμοιους με τον τύπο (8.9). Μεταξύ της μέσης τιμής και των μέσων τιμών των τετραγώνων των προβολών, υπάρχει η ίδια σχέση με την αναλογία (8,10):

Πράγματι, η ισότητα (8.10) ισχύει για κάθε μόριο. Προσθήκη τέτοιων ισοτήτων για μεμονωμένα μόρια και διαίρεση και των δύο πλευρών της εξίσωσης που προκύπτει με τον αριθμό των μορίων Ν, φτάνουμε στον τύπο (8.11).
Προσοχή! Δεδομένου ότι οι κατευθύνσεις των τριών αξόνων Ω, ΩΚαι ουγκιάλόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων, είναι ίσα, οι μέσες τιμές των τετραγώνων των προβολών ταχύτητας είναι ίσες μεταξύ τους:

Βλέπετε, μια ορισμένη κανονικότητα προκύπτει από το χάος. Θα μπορούσατε να το καταλάβετε μόνοι σας;
Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση (8.12), αντικαθιστούμε στον τύπο (8.11) αντί για και . Τότε για το μέσο τετράγωνο της προβολής ταχύτητας παίρνουμε:

δηλαδή το μέσο τετράγωνο της προβολής της ταχύτητας είναι ίσο με το 1/3 του μέσου τετραγώνου της ίδιας της ταχύτητας. Ο παράγοντας 1/3 εμφανίζεται λόγω της τρισδιάστατης διάστασης του χώρου και, κατά συνέπεια, της ύπαρξης τριών προβολών για οποιοδήποτε διάνυσμα.
Οι ταχύτητες των μορίων ποικίλλουν τυχαία, αλλά το μέσο τετράγωνο της ταχύτητας είναι μια καλά καθορισμένη τιμή.

6. Βασική εξίσωση μοριακής-κινητικής θεωρίας
Προχωράμε στην εξαγωγή της βασικής εξίσωσης της μοριακής-κινητικής θεωρίας των αερίων. Αυτή η εξίσωση καθορίζει την εξάρτηση της πίεσης του αερίου από τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του. Μετά την εξαγωγή αυτής της εξίσωσης τον XIX αιώνα. και η πειραματική απόδειξη της εγκυρότητάς του ξεκίνησε τη ραγδαία ανάπτυξη της ποσοτικής θεωρίας, η οποία συνεχίζεται μέχρι σήμερα.
Η απόδειξη σχεδόν κάθε δήλωσης στη φυσική, η εξαγωγή οποιασδήποτε εξίσωσης μπορεί να γίνει με διάφορους βαθμούς αυστηρότητας και πειστικότητας: πολύ απλοποιημένη, περισσότερο ή λιγότερο αυστηρή ή με την πλήρη αυστηρότητα που είναι διαθέσιμη στη σύγχρονη επιστήμη.
Μια αυστηρή εξαγωγή της εξίσωσης της μοριακής-κινητικής θεωρίας των αερίων είναι μάλλον περίπλοκη. Επομένως, περιοριζόμαστε σε μια εξαιρετικά απλοποιημένη, σχηματική παραγωγή της εξίσωσης. Παρ' όλες τις απλοποιήσεις, το αποτέλεσμα θα είναι σωστό.
Παραγωγή της κύριας εξίσωσης.Υπολογίστε την πίεση αερίου στον τοίχο CDσκάφος Α Β Γ Δπεριοχή μικρό, κάθετα στον άξονα συντεταγμένων ΒΟΔΙ (εικ.8.13).

Όταν ένα μόριο προσκρούει σε τοίχο, η ορμή του αλλάζει: . Εφόσον το μέτρο της ταχύτητας των μορίων δεν αλλάζει κατά την κρούση, τότε . Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, η μεταβολή της ορμής ενός μορίου είναι ίση με την ορμή της δύναμης που ασκεί πάνω του από την πλευρά του τοιχώματος του αγγείου και σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, η ορμή της δύναμης με την οποία το μόριο ενεργούσε στον τοίχο είναι το ίδιο σε απόλυτη τιμή. Κατά συνέπεια, ως αποτέλεσμα της κρούσης του μορίου, ασκήθηκε μια δύναμη στο τοίχωμα, η ορμή της οποίας είναι ίση με .

Ας εξετάσουμε πώς αλλάζει η προβολή της προκύπτουσας δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ τους στην ευθεία γραμμή που συνδέει τα κέντρα των μορίων ανάλογα με την απόσταση μεταξύ των μορίων. Εάν τα μόρια βρίσκονται σε αποστάσεις που υπερβαίνουν το μέγεθός τους αρκετές φορές, τότε οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ τους πρακτικά δεν επηρεάζουν. Οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων είναι μικρής εμβέλειας.

Σε αποστάσεις που υπερβαίνουν τις 2-3 μοριακές διαμέτρους, η απωστική δύναμη είναι πρακτικά μηδενική. Μόνο η δύναμη της έλξης είναι αισθητή. Καθώς η απόσταση μειώνεται, η ελκτική δύναμη αυξάνεται και ταυτόχρονα η απωστική δύναμη αρχίζει να επηρεάζει. Αυτή η δύναμη αυξάνεται πολύ γρήγορα όταν τα ηλεκτρονιακά κελύφη των μορίων αρχίζουν να επικαλύπτονται.

Το σχήμα 2.10 δείχνει γραφικά την εξάρτηση της προβολής φά r δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων στην απόσταση μεταξύ των κέντρων τους. Σε απόσταση r 0, περίπου ίσο με το άθροισμα των ακτίνων των μορίων, φά r = 0 , αφού η δύναμη της έλξης είναι ίση σε απόλυτη τιμή με τη δύναμη της απώθησης. Στο r > r 0 υπάρχει ελκτική δύναμη μεταξύ των μορίων. Η προβολή της δύναμης που ασκεί το σωστό μόριο είναι αρνητική. Στο r < r 0 υπάρχει μια απωστική δύναμη με θετική τιμή προβολής φά r .

Προέλευση ελαστικών δυνάμεων

Η εξάρτηση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης των μορίων από την απόσταση μεταξύ τους εξηγεί την εμφάνιση μιας ελαστικής δύναμης κατά τη συμπίεση και την τάση των σωμάτων. Εάν προσπαθήσετε να φέρετε τα μόρια πιο κοντά σε απόσταση μικρότερη από r0, τότε αρχίζει να ενεργεί μια δύναμη που εμποδίζει την προσέγγιση. Αντίθετα, όταν τα μόρια απομακρύνονται το ένα από το άλλο, ενεργεί μια ελκτική δύναμη, επιστρέφοντας τα μόρια στην αρχική τους θέση μετά την παύση της εξωτερικής επιρροής.

Με μια μικρή μετατόπιση των μορίων από τις θέσεις ισορροπίας, οι δυνάμεις έλξης ή απώθησης αυξάνονται γραμμικά με την αύξηση της μετατόπισης. Σε ένα μικρό τμήμα, η καμπύλη μπορεί να θεωρηθεί ευθύγραμμο τμήμα (το παχύ τμήμα της καμπύλης στο Σχ. 2.10). Γι' αυτό, σε μικρές παραμορφώσεις, ισχύει ο νόμος του Hooke, σύμφωνα με τον οποίο η ελαστική δύναμη είναι ανάλογη της παραμόρφωσης. Σε μεγάλες μετατοπίσεις μορίων, ο νόμος του Hooke δεν ισχύει πλέον.

Δεδομένου ότι οι αποστάσεις μεταξύ όλων των μορίων αλλάζουν όταν το σώμα παραμορφώνεται, τα γειτονικά στρώματα μορίων αντιπροσωπεύουν ένα ασήμαντο μέρος της συνολικής παραμόρφωσης. Επομένως, ο νόμος του Χουκ εκπληρώνεται σε παραμορφώσεις που είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από το μέγεθος των μορίων.

Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης

Η συσκευή του μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM) βασίζεται στη δράση απωστικών δυνάμεων μεταξύ ατόμων και μορίων σε μικρές αποστάσεις. Αυτό το μικροσκόπιο, σε αντίθεση με το μικροσκόπιο σήραγγας, σας επιτρέπει να λαμβάνετε εικόνες μη αγώγιμων επιφανειών. Αντί για άκρη βολφραμίου, το AFM χρησιμοποιεί ένα μικρό κομμάτι διαμαντιού ακονισμένο σε ατομικές διαστάσεις. Αυτό το θραύσμα είναι στερεωμένο σε ένα λεπτό μεταλλικό στήριγμα. Όταν το άκρο πλησιάζει την υπό μελέτη επιφάνεια, τα νέφη ηλεκτρονίων των ατόμων διαμαντιού και η επιφάνεια αρχίζουν να επικαλύπτονται και δημιουργούνται απωστικές δυνάμεις. Αυτές οι δυνάμεις εκτρέπουν την άκρη του διαμαντιού σημείου. Η απόκλιση καταγράφεται μέσω μιας δέσμης λέιζερ που ανακλάται από έναν καθρέφτη στερεωμένο σε μια θήκη. Η ανακλώμενη δέσμη κινεί έναν πιεζοηλεκτρικό βραχίονα παρόμοιο με αυτόν ενός μικροσκοπίου σήραγγας. Ο μηχανισμός ανάδρασης διασφαλίζει ότι το ύψος της διαμαντένιας βελόνας πάνω από την επιφάνεια είναι τέτοιο ώστε η καμπυλότητα της πλάκας συγκράτησης να παραμένει αμετάβλητη.

Στο Σχήμα 2.11 βλέπετε μια εικόνα AFM των πολυμερών αλυσίδων του αμινοξέος αλανίνη. Κάθε φύμα αντιπροσωπεύει ένα μόριο αμινοξέος.

Επί του παρόντος, έχουν σχεδιαστεί ατομικά μικροσκόπια, η συσκευή των οποίων βασίζεται στη δράση των μοριακών δυνάμεων έλξης σε αποστάσεις πολλές φορές μεγαλύτερες από το μέγεθος ενός ατόμου. Αυτές οι δυνάμεις είναι περίπου 1000 φορές μικρότερες από τις απωστικές δυνάμεις στο AFM. Επομένως, χρησιμοποιείται ένα πιο περίπλοκο ευαίσθητο σύστημα για την καταγραφή δυνάμεων.

Τα άτομα και τα μόρια αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Λόγω της δράσης των ηλεκτρικών δυνάμεων σε μικρές αποστάσεις, τα μόρια έλκονται, αλλά αρχίζουν να απωθούνται όταν τα ηλεκτρονιακά κελύφη των ατόμων επικαλύπτονται.

Ποια είναι η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων των κορεσμένων υδρατμών στους 100°C;

Task No. 4.1.65 από τη "Συλλογή εργασιών για την προετοιμασία για εισαγωγικές εξετάσεις στη φυσική στο USPTU"

Δεδομένος:

\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)

Η λύση του προβλήματος:

Θεωρήστε τους υδρατμούς σε κάποια αυθαίρετη ποσότητα ίση με \(\nu\) mol. Για να προσδιορίσετε τον όγκο \ (V \) που καταλαμβάνει μια δεδομένη ποσότητα υδρατμών, πρέπει να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση Clapeyron-Mendeleev:

Σε αυτόν τον τύπο, \(R\) είναι η καθολική σταθερά αερίου, ίση με 8,31 J/(mol·K). Η πίεση των κορεσμένων υδρατμών \(p\) σε θερμοκρασία 100 ° C είναι 100 kPa, αυτό είναι ένα γνωστό γεγονός και κάθε μαθητής πρέπει να το γνωρίζει.

Για να προσδιορίσουμε τον αριθμό των μορίων υδρατμών \(N\), χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο τύπο:

Εδώ \(N_A\) είναι ο αριθμός του Avogadro, ίσος με 6,023 10 23 1/mol.

Στη συνέχεια, για κάθε μόριο υπάρχει ένας κύβος όγκου \(V_0\), που προφανώς καθορίζεται από τον τύπο:

\[(V_0) = \frac(V)(N)\]

\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]

Τώρα κοιτάξτε το διάγραμμα για το πρόβλημα. Κάθε μόριο βρίσκεται συμβατικά στον δικό του κύβο, η απόσταση μεταξύ δύο μορίων μπορεί να ποικίλλει από 0 έως \(2d\), όπου \(d\) είναι το μήκος της άκρης του κύβου. Η μέση απόσταση \(l\) θα είναι ίση με το μήκος της άκρης του κύβου \(d\):

Το μήκος άκρου \(d\) μπορεί να βρεθεί ως εξής:

Ως αποτέλεσμα, παίρνουμε τον ακόλουθο τύπο:

Ας μετατρέψουμε τη θερμοκρασία στην κλίμακα Kelvin και ας υπολογίσουμε την απάντηση:

Απάντηση: 3,72 nm.

Εάν δεν καταλαβαίνετε τη λύση και έχετε κάποια ερώτηση ή βρείτε κάποιο σφάλμα, τότε μη διστάσετε να αφήσετε ένα σχόλιο παρακάτω.