Молекулалы физика негіздері

 

 

 

Жоспар

 

1.Кіріспе

Молекулалы  физика негіздері.

 

2.Негізгі бөлім

Молекулалы-кинетикалық  теорияның негізгі қағидалары  және оның тәжірбиелік дәлелдемелері.

 

3.Қорытынды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Молекулалық Физика

Молекулалық физика – физиканың әр түрлі агрегаттық күйдегі заттардың физикалық қасиеттерін олардың молекулалық құрылысы негізінде зерттейтін саласы. Молекулалық физиканың ең алғаш қалыптасқан бөлімі – газдардың молекулалық-кинетикалық теориясы. Бұл теория 1858 – 60 жылдары Дж.Максвеллдің, 1868 жылы Л.Больцман және 1871 – 1902 жылдары Дж.Гиббс еңбектерінің нәтижесінде классикалық - статистикалық физика болып қалыптасты. Молекулалардың өзара әсері (молекулалық күштер) жөніндегі сандық мәліметтер капиллярлық құбылыстар теориясында: 1743 жылы А. Клероның, 1805 жылы Т.Юнгтың, 1806 жылы П.Лапластың, С.Пуассонның, т.б-дың классикалық еңбектерінде дамытылып, беттік құбылыстар теориясының жасалуына негіз болды. Голланд физигі Я.Ван-дер-Ваальс нақты газдар мен сұйықтықтардың физ. қасиеттерін түсіндіру үшін молекула аралық өзара әсер ұғымын (1873) пайдаланып нақты газдардың күй теңдеуін (Ван-дер-Ваальс теңдеуі) қорытып шығарды. 1906 жылы француз физигі Ж.Перрен мен швед ғалымы Т.Сведбергтің, 1904 – 06 жылы поляк физигі М.Смолуховский мен А.Эйнштейннің микробөлшектердің броундық қозғалысына және заттардың молекулалық құрылысына арналған зерттеу жұмыстары кез келген заттың молекулалардан тұратындығының айғағы болды. Осы мақсатта көптеген ғалымдар алғашқыда заттарға түсірілген рентген сәулесінің дифракциясын, кейіннен электрондар мен нейтрондар дифракциясын пайдаланып, нәтижесінде қатты денелер мен сұйықтықтардың құрылысы жөнінде нақты мәліметтер алды. Кванттық механикада молекула аралық өзара әсер туралы ілім 1927 жылы Ф.Лондонның, 1927 жылы В.Гейтлердің, 1930 жылы П. Дебайдың, 1937 – 39 жылы М.Борнның еңбектерінде дамытылды. 19 ғасырда Я.Ван-дер-Ваальс пен У.Томсон (Кельвин) байқаған және Дж.Гиббс пен 1937 жылы Л.Ландаудың еңбектерінде дамытылған бір агрегаттық күйден екінші агрегаттық күйге ауысу теориясы фаза түзілудің қазіргі теориясына айналды; сөйтіп ол молекулалық физиканың маңызды жеке тарауы болып қалыптасты. Я.И. Френкельдің, Дж.Берналдың, т.б. еңбектерінде статистик. әдістің заттардың құрылымы жөніндегі көзқараспен біріктірілуі сұйықтықтар мен қатты денелердің молекулалық физикасының дамуына үлкен әсер етті.

Молекулалық физика нені қамтиды ?

Мұнда газдардың, сұйықтықтардың және қатты денелердің құрылысы, олардың  сыртқы әсерлердің (қысым, темп-ра, электр және магнит өрістері) нәтижесінде өзгеруі, тасымалдау құбылысы (диффузия, жылуөткізгіштік, ішкі үйкеліс), фазалық тепе-теңдік және ауысу процестері (кристалдану және балқу, булану және конденсация, т.б.) заттардың кризистік күйі, әр түрлі фазалардың бөліну шекараларындағы беттік құбылыстар қарастырылады. 20 ғасырда молекулалық физиканың жедел қарқынмен дамуы нәтижесінде одан статистикалық физика, физ. кинетика, қатты денелер физикасы, физ. химия тәрізді ірі, өз алдына дербес салалар бөлініп шықты. Қазіргі ғылым мен техниканың жаңа заттар мен материалдарды кеңінен пайдалануының нәтижесінде заттар құрылысын зерттеудің сан алуан әдістері пайда болды. Заттардың және олардың зерттеу әдістерінің әр түрлі болуына қарамастан молекулалық физика заттар құрылысының микроскопиялық (молекулалық) сипатына негізделе отырып, олардың макроскопиялық қасиеттерін зерттейді.

Молекулалы  физика негіздері.

 

Молекулалық физика дегеніміз  физиканың заттың құрылысымен қасиеттерін молекула-кинетикалық деп аталатын тұрғыдан зерттейтін физиканың бөлімі болып табылады. Бұл тұрғыдан алғанда, қатты,сұйық және газ күйінде кездесетін кез-келген  дене өте кішкентай дербес бөлшектердің-молекулалардың үлкен жиынтығынан тұрады. Кез-келген  заттың молеулалары қалыптасқан бағыты жоқ, ретсіз, хаосты қозғалысты болады.

Молекулалардың хаосты қозғалыста болуының тікелей дәлелдемесі-броундық қозғалыс болып табылады. Бұл құбылыстың мәнісі мынада: сұйықта жүзіп жүрсең өте кішкентай (тек микроскоппен коруге болатын) бөлшектер үздіксіз,ретсіз қозғалыста болады, бұл қозғалысының әсеріне ғана байланысты болады. Броундық бөлшектер молекулалардың ретсіз соққылауының әсерінен қозғалыста болады.

Денелердің әр түрлі  қасиеттерін және зат күйінің  өзгерістерін зерттеумен термодинамика  шұғылданады. Алайда термодинамиканың молекула-кинеткалық теориядан айырмашылығы, ол- денелер мен табиғат құбылыстарының микроскопиялық суреттемесін ескермей, тек олардың макроскопиялық қасиеттерін ғана зерттейді. Термодинамика молекулалар мен атомдарды қарастырмай-ақ, процестерді микроскопиялық тұрғыдан қарастыруға сүйенбей, оның өтуі жайында бірқатар қорытындылар жасайды.

Термодинамика негізінде  көптеген тәжірбиелік деректердің  жинағын жалпылау арқылы тағайындалған  бірнеше негізгі заңдар жатыр (оларды термодинамика бастамалары деп  атайды) Осы себептен термодинамиканың қорытындылары өте жалпы сипатта болады.

Зат күйінің  өзгерістерін әр түрлі көзқарас тұрғысында қарастыра отырып, термодинамика мен молекула-кинетикалық теория бір-бірін толықтырып, негізінен бір тұтас ілім құрайды. Молекула-кинетикалық ұғымдардың даму тарихына орала отырып, алдымен заттың атомистикалық құрылысы жайында ұғымдарды о бастан-ақ көне гректер айтқанын ескерте өтеді.Алайда көне гректердің бұл идеялары  данышпандық болжам ғана еді.

XVII ғасырда атомистика болжам емес,ғылыми гипотеза түрінде қайтадан келе бастады. Бұл гипотеза, әсіресе, орыстың данышпан ғалымы мен ойшылы М.В.Ломоносовтың (1711-1765) еңбектерінде айрықша дамытылды, ол өз заманында белгілі болған физикалық және химиялық құбылыстардың бір тұтас суретемесін беруге талпынды. Бұл үшін ол материяның корпускалық (осы кездегі технология бойынша-молекулалық) құрылысы жайлы ұғуға сүйенді. Өз заманында үстемдік еткен жылу тегі (гипотетті жылу сұйығы, оның денедегі шамасы дененің қаншалықты қызғандығын анықтайды) теориясына қарсы шығып, Ломоносов «жылудың себебін» дене бөлшектерінің айналмалы қозғалыста болуынан деп атады. Сөйтіп, Ломоносов негізінде молекула-кинетикалық көзқарасты тұжырымдады деуге болады.

 

XIX ғасырдың екінші жартысында және XX ғасырдың басында көптеген ғалымдардың еңбектерімен атомистика ғылыми теорияға айналды.

 

Молекулалы-кинетикалық теорияның негізгі қағидалары  және оның тәжірбиелік дәлелдемелері.

 

Зат құрылымының молекулалы –кинетикалық құрылымы теориясын (МКТ) көптеген бақылаулар мен тәжірбиелердің жалпылама қорытындысы ретінде М.В.Ломоносов жасады. Оның негізгі қағидаларын атап өтейік.

1.Барлық денелер микробөлшектерден(атомдар немесе молекулалардан) тұрады әрі дененің массасы өзін түзетін микробөлшектердің массаларының қосындысына тең: m=m_oM

2.Денедегі микробөлшектер  үздіксіз және хаосты қозғалыста  болады әрі бұл қозғалыстың жылдамдығы дененің температурасына тәуелді, сондықтан оны жылулық қозғалыс деп атайды.

3.Денедегі микробөлшектер  өзара әрекеттеседі әрі өзара  әрекеттесу күшінің тегі электромагниттік  болып табылады. Дене бөлшектерінің  арасында тебілу күштері де, тартылу күштері де бар.

Молекулалы-кинетикалық  теоорияның негізгі қағидаларын  дәлелдейтін тәжірбиелік деректерді келтірейік:

1.Заттардың бөлінгіштігі. Осы кезде заттың физикалық  және химиялық қасиеттері өзгеріссіз  қалады.

2.Газдардың сызылғыштығы. Бұл дене молекулаларының арасында үлкен қашықтықтардың болатынын көрсетеді.

3.Газдың кез-келген  көлемді алатыны. Бұл дерек  молекулалардың қозғалыста болатынын,  сонымен қатар олардың арасындағы  қашықтықтардың өзгеріп отыратынын білдіреді.

4.Еселік қатынастар  заңы. Бұл заң бойынша кез-келген химиялық қосылытар пайда болғанда рекцияға түсетін заттардың массалары өзара белгілі қатынаста болады. Бұл тікелей болмаса да, денелердің атомдардан тұратынын көрсетеді.

5.Газдың өзі тұрған  ыдыстың қабырғасына қысым түсіруі.  Бұл молкулалардың қозғалыста болатынын көрсетеді.

6.Диффузия – бір заттың молекулаларының екінші заттың молекулааралық  кеңістігіне еніп кетуі.Диффузияны газдарда (иіс судың, бензиннің және т.б иісінің ауада таралуы)сұйықтарда (бояулардың, сияның, тушьтің, сүттің суда таралуы) және қатты денелерде (ұзақ уақыт бойы қорғасын  және алтын цилиндрлер бір-біріне тығыз бетестіріліп қойылады)бақылауға болады.

7.Молекулаларды электрондық  микроскопте немесе иондық проекторда  бақылау . Қазіргі кезде атомдарды  күрделі туннельдік микроскоптардың көмегімен бақылауғаболады, олар 100 миллион есе ұлғайтуға қамтамасыз етеді.

8.Болат цилиндрге құйылған  майды қатты қысқанда май цилиндрдің  сыртына тамшылап шығып, ал  цилиндрдің өзі болса бүтін  күйінде қала берген. Бұл молекулалардың  арасында кеңістіктердің барлығын, яғни дененің тұтас болмайтынын көрсетед.

9. Беттері әдейілеп  тегістеліп бір-бірімен түйістірілген  екі қорғасын цлиндрдің бір-біріне  жабысып қалуы. Бұл жағдайда  екі цилиндр біртұтас көрінеді.

10.Денелердің беріктігі  денедегі микробөлшектердің өзара тартылатынын білдіреді. Жай таяқтың өзін оп-оңай сындыра алмайсың, себебі молекулалардың арасында тартылыс күші бар.

11. Денелердің серпімді  деформациялық қасиеттері де  дененің микробөлшектерінің арасында  өзара әректтесу күштерінің бар екенін көрсетеді.

12.Броундық қозғалыс дегеніміз- сұйықта немесе газда қалқып жүрген қандай да бір заттың өте ұсақ бөлшектерінің сұйық немесе газ молекулаларының соққыларының әрекетінен бейберекет қозғалуы. Бұл қозғалыс денедегі молекулалардың хаосты қозғалысының айқын дәлелі. Мұны ағылшын ботанигі Р.Броун 1827 жылы тұңғыш рет бақылады. Ол суға түскен плаун   спораларын микроскоппен бақылай отырып, оларды хаосты қозғалатынына назар аударды.

 

Молкулалардың өзара әрекеттесу күштері.

Денелердегі молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің бар екені белгілі. Осындай күштердің бар екенін дәлелдейтән бірқатар деректерді келтірдік. Олар молекулалар арасында бір мезгілде тартылыс күштерінің де, тебілу күштерінің бар екенін көрсетеді. Екі күш бір мезгілде әрекет етсе де, жақын қашықтықтарда тартылу күштері басымырақ. Молекулалардың өзара әректесу күштерін голландия физигі Я.Д.Вандер-Ваальс (1837-1923) зертеген, сондықтан оларды көбіне вандер-вальс күштері деп атайды. Атомдар мен молекулалардың өздері жайлы айтарлықтай ештеңе жоқ болғандықтан, молекулалық күштердің тегі мен сипатын зертеу өте қиын мәсесле еді. XX ғасырдың басында молекула атомның көптеген зарядталған бөлшектерден-электрондар мен атом ядроларынан тұратын күрделі жүйе екені белгілі болды. Молекулалаарлық күштердің бірнеше түрлері болады және олардың әрбіреуінің өз ерекшеліктері бар. Молекула-дипольдің бағытына тәуелді, сондықтан бұл күштерді бағдарлық күштер деп атайды. Бағдарлық күштермен қатар дисперсиялық және индукциялық күштер де болады. Аталып өткен тартылыс күштерінің үш түрі де қашықтыққа тәуелді 1/r⁷ қатынасына пропорционал артады.

 Газ тәрізді, сұйық және қатты денелердің құрылымдары.Зат құрылымының молекула-кинетикалық теориясын пайдаланып, заттың үш агрегаттық күйде болуын түсіндірейік.

Газдар. Газдарда молекулалардың арақашықтықтары сол молекулалардың өлшемінен көп артық болады. Молекулалардың өзара әрекетін потенциалдық энергиясы олардың кинетикалық энергиясынан көп кіші. Газдарда жақын да, алыс та бейберекет, нағыз хаосты қозғалыс басым. Газ өзінің көлемін де, пішінін де сақтамайды,  себебі өте әлсіз өзара әрекеттесу күштері оларды бір-бірінің қасында ұстап тұра алмайды.

Сұйықтар.Сұйықтың молекулалары тығыз орналасады. Оларды көрші молекулалар сығымдап тұрған секілді. Олармен соқтығысқан молекула өзінің тепе-теңдік күйінің төңірегінде тербелістер жасайды.

Сұйықта молекулалары тығыз  орналасқандықтан, оларды сығылмайды деуге болады, міне , сондықтан олар қысым тудырады. Барлық сұйықтар аққыш, яғни олар сақталмайды, оның есесіне  олар көлемін сақтайды. Сұйық молекулаларының кинетикалық энергиясы олардың потенциалдық энергиясымен шамалас.

Қатты денелер.Қатты дене молекулаларының өзара әрекеттесу күші соншалықты зор, сондықтан молекулалар кристалдық тордың түйіндері деп аталатын  белгілі қалыптардың төңірегінде ғана тербеле алады. Сол себепті, қатты денелер пішінін  де көлемін де сақтамайды. Қатты дененің молекулалары жуық тәртіпті де, алыс тәртіпті де ұстайды. Қатты денелер кристалдық торлардың әртүрлігімен ерекшеленеді, себебі молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу күштері мен денелердегі молекулалардың немесе атомдардың орналасулары да әр түрлі. Кристалдық торлардың мынадай түрлерін атауға болады:

1.Иондық-оның түйіндерінде  оң және теріс иондар орналасқан.

2.Атомдық-оның түйіндерінде бейтарап атомдар орналасқан.

3.Молекулалық-оның түйіндерінде  оң иондар орналасқан.

4.Металдық-оның түйіндерінде оң иондар орналасқан.

 

Молекулалардың  массасы және мөлшерлері.

 

Атомдар мен молкулардың массаларын сипаттау үшін атомдық және молкулалық салмақ (оларды атомдық молекулалық масса деп атау дұрысырақ болар еді) деп аталатын шамалар қолданылады.

Химиялық элементтің атомдық салмағы (А) деп оыс элементтің атомының массасының С¹² атом (массалық саны 12 болатын көміртегінің изотопы осылай белгіленеді, «Атомдық физиканы» қараңыз) массаның 1/12 бөлігіне қатынасын айтамыз. Заттың молекулалық салмағы (М) деп осы заттың молекула массасының С ¹² атом массасының 1/12 бөлігіне қатынасын айтамыз. Молекулалар мен атомдар массалырының осылайша анықталатын шкаласы С¹²=12 шкаласы деп аталады. Бұл шкала бойынша С¹²-ның атомдық салмағы дәл 12-ге тең,О¹⁶ оттегінікі-15,9949, ал ең жеңіл элемент-сутегінікі 1,0080 (изотоптардың табиғи қоспасы үшін). Атомдық және молекулалық салмақтардың анықтамсынан, олардың өлшеусіз шамалар екендігі шығады.