Молекулярная физика. Атомистическая гипотеза строения вещества и ее экспериментальные доказательства.

В основе молекулярной физики или молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов. Молекулы могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Это движение называется тепловым движением.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г. Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую.

Еще одно доказательство хаотичного движение молекул вещества – явление диффузии. Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга. Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов.

Значительно медленнее протекают подобные процессы в жидкостях. Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях.

Наиболее медленно процесс диффузии протекает в твердых телах. Однако, опыты показывают, что при контакте хорошо очищенных поверхностей двух металлов через длительное время в каждом из них обнаруживается атомы другого металла.

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10^–10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше. Оценка размеров молекул была сделана при наблюдении расплывания капельки масла по поверхности воды.

Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров – положений равновесия.

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем.

Моль –это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода . Молекула углерода состоит из одного атома.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число молекул. Это число называется числом Авогадро N_А:

N_А = 6,02·10²³ моль^–1. (7.1)

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к числу Авогадро N_А:

. (7.2)

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой M. Молярная масса равна произведению массы m₀ одной молекулы данного вещества на число Авогадро:

. (7.3)

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода . Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

1 а.е.м. = 1,66·10^–27 кг. (7.4)

Отношение массы атома или молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода ¹²C называется относительной атомной или молекулярной массой.