МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКАроль играют силы взаимодействия между молекулами. В широком понимании к М. ф. относят вопросы строения и свойств вещества в газообразном, жидком и твердом состояниях и учение о природе молекулярных сил, кинетическую теорию материи (см. Кинетическая теория), свойства газов, свойства жидкостей, поверхностные деления (см.), явления перехода вещества из “дного состояния в другое аггрееатное состояние (см.), тепловые свойства тел {теплоемкость, теплопроводность, см.).
Существование молекул. По молекулярно-кинетической теории материи тела состоят из молекул (см.) (их размеры — около одной стомиллионной доли сантиметра), совершающих беспорядочные тепловые движения и взаимодействующих друг с другом (молекулярные, или частичные силы). Различным расположением молекул и величиной и характером сил взаимодействия между ними определяются структура и свойства различных тел, различия основных состояний вещества (газообразного, жидкого и твердого). Для идеального газа (между его молекулами нет сил взаимодействия) существует уравнение Клапейрона, связывающее его объем v, давление р и абсолютную температуру Т: pv*=RT, (1) где R — газовая постоянная, приблизительно равная 2 малым калориям, если взять 1 граммолекулу газа. Кинетическая теория газов рассматривает давление газа на стенку сосуда, где он находится, как сумму толчков молекул, встречающих эту стенку. Таким путем получается формула
pv = jNmu2, (2) где N — число Авогадро, объем граммолекулы, т — масса молекулы, а и2 — квадрат средней квадратичной скорости молекул. Сравнивая (1) и (2), мы получаем RT — ^Nmu2, т. е. абсолютная температура газа Т определяется средней кинетической энергией его молекул .
Отсюда же можно вычислить величину средней (квадратичной) скорости молекул, к-рая оказывается порядка 1.000 м/сек. Классическая статистика дает для распределения скоростей формулу (закон Максвелла) 3
dnu = 4&N
_ тли2
•в
u2du,
где к = — постоянная Больцмана, a dnu обозначает число молекул газа, скорости к-рых лежат в пределах от и до и + du. Опыты Штерна подтверждают справедливость этого закона.
Существование молекул, к-рые не могут быть видимы в самые сильные микроскопы, получило непосредственное подтверждение в броуновском движении, которое непрерывно совершает какая-нибудь маленькая частица, напр. частица эмульсии или коллоидного раствора, помещенная в жидкость. Движение это постоянно, хаотично и заставляет частицу описывать сложный извилистый путь (рис. 1). Причина этого движения — толчки молекул окружающей среды, равнодействующая к-рых в каждый данный момент при • малой величине взвешенной частицы не равна нолю. Перрен из равновесного распределения по высоте частиц, совершающих броуновское движение, определил число Лвогадро (см.) в хорошем согласии с други 680
ми данными. Теоретические и экспериментальные работы по броуновскому движению (Эйнштейна, Смолуховского, Перрена, Сведберга, Больцмана, Эренфеста П. иТ.) связаны состатистич. толкованием II начала термодинамики, одного из основных законов естествознания.
Междумолекулярные силы. Как показывает опыт, зависимость давления реальных газов и паров от их объема отличается от зависимости, даваемой уравнением (1). При значительных плотностях газа это отклонение реального газа от уравнения (1) делается особенно заметным, т. к. молекулы газа сближены, а с уменьшением расстояния между молекулами увеличивается эффект молекулярных сил (притягательных и отталкивательных). Вандер-Ваальс, вводя силу притяжения между молекулами газа, пропоррис. 1. циональную квадрату плотности газа <Э2 (а<52 = Д), дал уравнение, заменяющее для реальных газов и паров уравнение Клапейрона: (₽+£) -(. v-b) = RT, (3) где а и Ъ — константы, характерные для каждого газа и определяющие интенсивность молекулярных сил притягательных (а) и отталкивательных (Ь).
Очевидно, что вопрос о природе молекулярных сил в газах, жидкостях и твердых телах тесно связан с проблемой строения атомов и молекул. По электронной теории строения материи, атом является своеобразной планетной системой, в центре к-рой находится положительно заряженное ядро, а вокруг него обращаются мельчайшие отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Электроны притягиваются к ядру силами Кулона (см.). Движение их внутри атома и энергия этого движения подчиняются законам квантовой механики, находящим свое выражение в т. н. уравнении Шредингера. При соединении атомов в молекулы и взаимодействии молекул друг с другом образуются системы с более сложным силовым полем. Наряду с силами электростатич. взаимодействия возникают т. н. обменные силы (см. Обмен квантовый). Квантовую теорию сил химич. и молекулярных с точки зрения волновой механики дали Хейтлер и Лондон для гомеополярной валентности; Ванг, Лондон, Ленард Джано — для сил когезии (Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, т. е. сил того же рода, что и сил взаимодействия молекул, определяющих константу а в уравнении Ван-дер-Ваальса). Проблема взаимодействия атомов и молекул решается в волновой механике так наз. методом возмущений, введением их «возмущающего действия» в уравнение Шредингера. При этом нейтральные атомы (молекулы) взаимодействуют не как мультиполи (диполи, квадруполи и другие электростатич. модели молекул), а вследствие пространственного проникновения электронных облаков (обменный эффект, гомеополярная связь).
Молекулярные силы *в узком смысле этого слова, так наз. Ван-дер-Ваальсовы силы, в противоположность силам химическим, являются, по Лондону, эффектами возмущений второго порядка (дисперсионный эффект). Так как,
