По мотивам лекций 1-2.
Ответы на тестовые вопросы
В этом курсе мы не изучаем структуру атомов – этому посвящен курс «квантовая механика». В нашем курсе атом – это мельчайшие частицы, которые связаны в молекулу с помощью сил межатомного взаимодействия. Соответственно, между двумя молекулами действуют силы межмолекулярного взаимодействия и рассматривается потенциал межмолекулярного взаимодействия. Вид его рассмотрим несколько позднее. В нашем курсе для описания этих сил используется формализм классической механики и понятие потенциальной энергии межчастичного взаимодействия, при этом силы определяются через производные потенциальной энергии по координатам. Несмотря на простоту подобной модели, с помощью нее можно объяснить достаточно много природных явлений. А в основном будем рассматривать масштаб, в котором на атомы и молекулы можно смотреть как на материальные точки.
Как известно из курса школьной физики, атом состоит из ядра, в состав которого входят протоны и нейтроны и вращающихся вокруг ядра электронов. Для молекулярных масштабов введены соответствующие внесистемные единицы – ангстремы. Один ангстрем обозначается и равен:
Атом водорода имеет размер H=0.5 
. Для понимания сути физического явления важнее порядок величины, чем ее суть. Атомы по структуре очень разнообразны, как известно, могут содержать порядка сотни нуклонов (протонов и нейтронов). Атомы с одинаковым количеством протонов и электронов, но с разным числом нейтронов называются изотопам данного вещества. Например, у атома водорода известны следующие изотопы:
У всех трех изотопов одинаковое количество электронов – один. Для массы удобно ввести еще одну внесистемную единицу - углеродную единицу массы – у.е. Одна углеродная единица равна:
Заметим, что кроме изотопа углерода 
существуют изотопы 
. Одна углеродная единица массы соотносится с массой в 1 грамм как:
1 грамм = 6.02*1023 у.е.
Коэффициент пропорциональности 6.02*1023 называется числом Авогадро. Тогда массы атомов углерода и водорода в у.е. соответственно равны:
Переход от углеродных единиц к массе в граммах осуществляется по простой формуле:
Электроны в 1870 раз легче протонов, масса электрона составляет
me=9.11 *10-28грамма. Силы, действующие между электронами и ядром, имеют электромагнитную природу, в рамках данного курса достаточно рассмотреть только электростатические силы. Гравитационные силы (протон-электрон) по сравнению с электростатическими силами (протон-электрон) пренебрежимо малы:
Электростатические силы определяются только протонами и электронами. В природе, как правило, встречается несколько изотопов одного и того же элемента. Например, у кислорода для трех видов изотопов абсолютно одинаковое процентное соотношение везде в природе (как на Земле, так и на Луне):
Молекула – это соединение из одного или нескольких атомов. Природа химического соединения атомов в молекулу будет изучаться позднее – в курсе квантовой механики. Сейчас нас интересует характерный вид потенциала межмолекулярного взаимодействия. Рассмотрим типичный пример – молекулу водорода H2. В этой молекуле 2 атома, в качестве примера межмолекулярного потенциала рассматривается потенциал Леннарда-Джонса, зависящий от расстояния между двумя частицами:
Так как сила есть минус производная потенциальной энергии по координате:
то мы имеем отталкивающую силу слева от минимума и притяжение справа от минимума, то есть на близких расстояниях молекулы отталкиваются, а на далеких притягиваются. Потенциал типа Леннарда –Джонса может быть использован как для описания взаимодействия атомов в молекуле,так и для межмолекулярных взаимодействий.
Цветными линиями показаны диапазоны изменениями кинетической энергии для каждого агрегатного состояния, цветными прямоугольниками – диапазоны колебания межатомных расстояний для различных агрегатных состояний. В случае газа показана только часть диапазона.