Предмет молекулярной физики

Область физики, в которой изучаются физические свой­ства тел в различных агрегатных состояниях на основе рас­смотрения их микроскопического (атомарно-молекулярного) строения, называется молекулярной физикой.

Молекулярная физика рассматривает:

а) строение вещества и его изменение под влиянием внеш­них факторов (давления, температуры, электрических и маг­нитных полей);

б) явления переноса (диффузию, теплопроводность, внут­реннее трение);

в) фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизацию и плавление, испарение и конденсацию и др.);

г) поверхностные явления на границах раздела фаз. Современная молекулярная физика включает в себя так­же следующие разделы:

а) физику металлов, физику полимеров, физику плазмы, кристаллофизику;

б) физико-химию дисперсных систем и поверхностных яв­лений, теорию массо- и теплопереноса, физико-химическую механику.

Несмотря на различие объектов и методов исследования, в любом из этих разделов неизменна главная идея молеку­лярной физики — описание макроскопических свойств веще­ства на основе микроскопической (молекулярной) его при­роды и структуры.

Наши органы чувств, на которые непосредственно действует окружающий нас физический мир, устроены так, что слошность, непрерывность вещества кажется нам основным и несомненным его свойством. Однако наш практический опыт показывает, что существует множество явлений, свидельствующих о дискретном (молекулярном) строении вещества.

Хорошо известно, например, что под внешним воздействием или под влиянием нагрева и охлаждения тела могут изменять свой объем — расширяться или сжиматься. Это относи:тся к любому фазовому состоянию вещества. Такое изменение объема тел невозможно объяснить, если считать вещества сплошными.

Если тела не сплошные, а состоят из огромного числа очень маленьких частиц, настолько маленьких, что их нельзя увидеть не только невооруженным глазом, но и с помощью оптических, электронных и ионных микроскопов, то многое становится легко объяснимым. В веществе эти частицы расположены не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Изменение объема тел при сжатии и расширении можно объяснить тем, что изменяются расстояния между частицами.

Эти мельчайшие частицы вещества называют молекулами. Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая его физическую и химическую индивидуальность. Сами молекулы могут состоять из более простых частиц — атомов и ионов.

Размеры молекул и атомов черезвычайно малы. Если представить себе эти частицы в виде шариков, то их радиус имеет численное значение порядка 10^-8...10^-7 см. В одном грамме воды, например, содержится 3,3∙10²³ молекул, а в одном кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях 2,7∙10¹⁹ молекул. Множество факторов заставляет нас считать, что между молекулами в веществе действуют силы отталкивания и притяжения, зависящие от расстояния между частицами.

Об этом свидетельствует хотя бы то, что при изменении объема твердого тела, жидкости или газа (при неизменном количестве вещества) возникают весьма значительные силы: отталкивания при сжатии и притяжения при растяжении.

Само существование четырех агрегатных состояний вещества — твердого, жидкого, газообразного и плазмы — указывает на существование межмолекулярных сил.

В твердом и жидком состоянии молекулы притягиваются друг к другу настолько сильно, что тела сохраняют свой объем, а в случае твердого тела — еще и форму. В газообразном же состоянии силы взаимодействия значительно меньше, так что газ равномерно заполняет весь предоставлен­ным ему объем, как бы велик он ни был.

Этот последний факт (равно как и многие другие) указывает еще на одну важную особенность частиц вещества. Спо­собность газа распространяться по всему объему сосуда по­казывает, что молекулы газа находятся в постоянном движе­нии. Ряд свойств газа свидетельствует также, что эти движения молекул отличаются полной беспорядочностью, хаотичностью. Это хаотическое движение молекул носит название теплового движения. Состояние непрерывного хаоти­ческого движения в равной мере свойственно также частицам твердого тела, жидкости и плазмы, в которых движения имеют несколько иной характер, чем в газах. В газах части­цы движутся поступательно, колебательно и вращательно, а в твердых телах только колебательно.

Каждый может наблюдать хаотическое движение мель­чайших пылинок в воздухе в солнечную погоду, это движе­ние, сходное с броуновским, в прямую связано с хаотическим тепловым движением молекул воздуха.

Главная идея молекулярной физики формулируется сле­дующим образом: все вещества состоят из частиц (атомов, молекул, ионов), которые совершают хаотическое движение и взаимодействуют друг с другом на расстоянии посредством сил притяжения и отталкивания.