Учебное пособие по физике для студентов 1 курса БПОУ РА «Медицинский колледж»,

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ

БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ

«МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Долгих Денис Васильевич

Строение вещества

Учебное пособие

по физике для студентов 1 курса БПОУ РА «Медицинский колледж», обучающихся по специальностям

31.02.02 «Акушерское дело»

31.02.03 «Лабораторная диагностика»

33.02.01 «Фармация»

34.02.01 «Сестринское дело».

Горно-Алтайск, 2022 г

Печатается по решению заседания ПЦК «ЕНиФМ» БПОУ РА «Медицинский колледж».

Долгих Д.В. Учебное пособие по физике для студентов 1 курса

БПОУ РА «Медицинский колледж». Теоретический курс. Горно-Алтайск: БПОУ РА «Медицинский колледж», 2022 г.

Пособие предназначено для студентов 1 курса средних специальных учебных заведений и ставит перед собой цель – помочь расширить и систематизировать свои знания по физике.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Учебное пособие

Данное учебное пособие имеет целью оказать учащимся помощь в систематизации, обобщении и углублении знаний по физике, освоении методов и приемов решения задач при подготовке к итоговой аттестации.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………5

1. Элементарные частицы ………..……………………………………………………6

2. Атомы вещества .………………………………...…………………..........................9

3. Электронная оболочка атома………………………………………………………12

4. Атомы и молекулы …………………………………………………………………15

5. Размеры атомов и молекул ………………………………………………………...17

6. Масса атомов и молекул …………………………………………………………...19

7. Взаимодействие атомов и молекул ……………………………………………….23

8. Движение атомов и молекул ………………………………………………………25

9. Строение вещества в трёх агрегатных состояниях ………………………………27

10. Характер движения частиц вещества в трёх агрегатных состояниях …………..31

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие имеет целью оказать учащимся помощь в систематизации, обобщении и углублении знаний по физике, освоении методов и приемов решения задач.

Содержание учебного пособия соответствует программе по физике для студентов первого курса, обучающихся по специальностям 31.02.02 Акушерское дело, 33.02.01 Фармация, 34.02.01 Сестринское дело, 31.02.03 Лабораторная диагностика.

Данное пособие включает:

• перечень рассматриваемых вопросов;

• систематизированное изложение основного теоретического материала (ориентирует студентов на усвоение понятий, законов, закономерностей и т.д.);

• вопросы и задания для самоконтроля (они подобраны и сформулированы так, чтобы студенты могли проверить уровень своих знаний и умений по теме; вопросы и задания постепенно усложняются, что требует от студентов для ответа и решения глубокого понимания физических законов, явлений и процессов, привлечения знаний из различных разделов физики);

• методические рекомендации по решению задач (последовательность действий, которые необходимо выполнить при решении задач, - от анализа усвоения задачи (его краткой записи, выполнение рисунка, схемы, чертежа, поясняющих условие задачи) до анализа и оценки полученного ответа);

• примеры решения задач (на примере решения наиболее типовых задач демонстрируется процесс построения и использования алгоритма решения задач на основе методических рекомендаций).

Для изучения законов движения тел в механике не нужно изучать внутреннее строение тел, достаточно знать, что тело имеет массу и определенные размеры. Свойства тел зависят от их внутренней структуры – природы частиц, из которых построено тело, и их взаимного расположения. Молекулярная физика изучает физические свойства вещества в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, а также процессы перехода из одного состояния в другое.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

1. Нас окружают разнообразнейшие по своим свойствам тела. Даже при внимательном их рассматривании они нам кажутся сплошными, непрерывными. Но наши органы ощущений вводят нас в заблуждение. На самом деле все тела имеют прерывистую, дискретную структуру. Они состоят из мельчайших частиц вещества, получивших название элементарных частиц.

Элементарные частицы выполняют различные функции в природе. Одни из них -электроны, протоны, нейтроны – являются теми мельчайшими «кирпичиками», из которых построены все окружающие нас тела. Другие элементарные частицы осуществляют связь и взаимодействие между частицами вещества. Роль некоторых элементарных частиц пока еще остаётся неясной.

Точные размеры элементарных частиц определить невозможно, так как эти частицы не имеют чётких границ. Так, например, о размерах электрона можно только сказать, что они не превышают 10^-16 м, а размеры протонов и нейтронов одинаковы и примерно равны 10^-15 м.

Как видно из примеров, размеры элементарных частиц чрезвычайно малы. По этой причине визуальное наблюдение элементарных частиц невозможно, но мы можем видеть и фотографировать следы, которые они оставляют в веществе (рис. 1). По фотографиям этих следов учёные научились определять скорость, энергию, массу и другие свойства элементарных частиц. Условились считать, что масса частицы является ее главной характеристикой. Массы элементарных частиц ничтожно малы по сравнению с массой окружающих нас обычных тел (макротел)поэтому массы частиц обычно сравнивают с массой электрона. Ее условно принимают за единицу массы и называют электронной единицей массы (сокращённо э. е. м.). 1 э. е. м. = 9,1·10^-31 кг. В природе существуют элементарные частицы, масса которых меньше массы электрона, но есть и такие частицы, масса которых превышает массу электрона в несколько тысяч раз. Массы протонов и нейтронов примерно одинаковы: масса протона составляет 1836, а масса нейтрона 1838 э. е. м.

Рисунок 1 Фотография следов частиц.

1. Взаимодействие элементарных частиц. Всё разнообразие физических явлений и все известные на свойства веществ в конечном счёте обусловливаются взаимодействием элементарных частиц. Между элементарными частицами известно четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие осуществляется между всеми без исключения частицами вещества и зависит от их массы. Оно проявляется в виде сил тяготения, величина которого определяется по закону всемирного тяготения. Гравитационные силы дальнодействующие: они проявляются на любом расстоянии. Из всех видов взаимодействия гравитационное является наиболее слабым.

Электромагнитное взаимодействие не зависит от массы элементарных частиц и в 10³⁶ раз сильнее гравитационного. Оно осуществляется только между электрически заряженными частицами вещества и некоторыми нейтральными частицами, которые не имеют электрического заряда, но обладают магнитными свойствами. Электромагнитное взаимодействие проявляется в нескольких видах: а) в виде электрических сил притяжения и отталкивания; б) в виде магнитных сил; в) в виде электромагнитного излучения тел и частиц и др.

Гравитационное и электромагнитное взаимодействие проявляются как между мельчайшими частицами вещества, так и между макроскопическими телами. Они оказывают непосредственное воздействие на человека, тогда как сильное и слабое взаимодействие на человека непосредственно не действуют и проявляются только в мире элементарных частиц.

Особо важная роль в природе принадлежит электромагнитному взаимодействию. Оно обусловливает все электрические и магнитные явления, образование макроскопических тел, является причиной излучения света частицами вещества и в конечном счёте к нему сводятся все химические и биологические процессы.

1. Элементарные частицы и электрический заряд. Способность частиц вещества к электромагнитным взаимодействиям имеет свою количественную меру. Величина, характеризующая свойство частиц вещества участвовать в электромагнитных взаимодействиях, называется электрическим зарядом.

Если частица вещества обладает электрическим зарядом, то это означает, что она способна к электромагнитным взаимодействиям. В природе существуют частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без его носителя – частицы вещества. Величина электрического заряда, как известно, в СИ измеряется в кулонах (сокращенно Кл).

Оказалось, что электрический заряд элементарных частиц, например электрона, не делится на более мелкие доли и передается от одной частицы к другой целиком. По этой причине его называют элементарным зарядом и обозначают буквой е. В результате тщательно проведённых измерений установлено, что элементарный заряд е=1,6·10^-19 Кл. Элементарный заряд является самым маленьким электрическим зарядом, более мелких порций электричества в природе не обнаружено.

При столкновении двух заряженных элементарных частиц они могут объединиться в более крупные частицы вещества, которые нередко теряют способность к электромагнитным взаимодействиям. Значит, при объединении заряженных элементарных частиц их заряды могут нейтрализоваться. Это свойство электрически заряженных частиц вещества аналогично свойству двух равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку чисел: их сумма всегда равна нулю. По этой аналогии все электрически заряженные частицы условно разделены на две группы: положительно и отрицательно заряженные частицы. Условились считать, что электрон заряжен отрицательно, а протон положительно. Опытным путём установлено, что в природе существует только два рода электрически заряженных частиц, при этом однородно заряженные частицы отталкиваются, а разнородно заряженные притягиваются друг к другу. Следовательно, все частицы, которые отталкиваются от протона, заряжены положительно; те частицы, которые притягиваются к протону, заряжены отрицательно.

АТОМЫ ВЕЩЕСТВА

1. Атомы и химические элементы. Особое место среди элементарных частиц занимают протоны, нейтроны и электроны. Взаимодействуя между собой, они образуют сложные, но очень устойчивые и химически не делимые частицы, получившие название атомов вещества. Атомы, состоящие из одинакового числа протонов, нейтронов и электронов, обладают одинаковыми химическими свойствами. Определённый вид атомов называется химическим элементом. Каждый элемент состоит из одинаковых атомов, но атомы одного элемента по строению и свойствам отличаются от атомов других элементов. Атом – это мельчайшая частица вещества, которая сохраняет все свойства данного элемента. Если атом распадается на отдельные элементарные частицы, то они химических свойств данного элемента уже не сохраняют.

2. Опыт Резерфорда. В 1911 г. Под руководством известного английского физика Эрнеста Резерфорда был произведён опыт, позволивший ему открыть тайну внутренней структуры атома. В этом знаменитом опыте очень тонкую пластинку металла (фольгу) подвергали интенсивной бомбардировке потоком быстролетящих частиц. Это альфа-частицы, состоящие из двух нейтронов и двух протонов. На пути альфа-частиц, вылетающих из источника 1 (рис. 2), устанавливали пластинку – фольгу 2. За ней размещали трубку 3, к торцу которой прикрепляли стеклянный экран 4, покрытый сульфидом цинка. Внутри трубки находился микроскоп 5. Трубку вместе с экраном и микроскопом можно было перемещать в плоскости рисунка вокруг центра пластинки (по дуге АВ).

Рисунок 2. Опыт Резерфорда.

Удар альфа-частицы о такой экран вызывает вспышку света, которую называют сцинтилляцией. Перемещая трубку под различными углами α к направлению распространения частиц, через микроскоп подсчитывают число сцинтилляций на экране в течение определённого промежутка времени. Затем пластинку 2 заменяли пластинкой из другого материала и весь опыт повторяли.

Результаты опыта Резерфорда оказались неожиданными для физиков. Преобладающее большинство альфа-частиц свободно проходило через фольгу, рассеивалось – отклонялось от направления, по которому они летели до пластинки. В редких случаях (2 – 3 на несколько десятков тысяч сцинтилляций) угол отклонения альфа-частиц был очень большим, почти 180°.

1. Ядерная модель атома. Если альфа-частицы свободно проходят через слой металла, то этот факт можно объяснить лишь тем, что значительная часть пространства внутри атомов свободна от частиц вещества, сравнимых по массе с альфа-частицами. Встреча альфа-частицы с электроном, масса которого почти в 8000 раз меньше массы альфа-частицы, не может изменить направление её движения.

Расчёты, произведённые Резерфордом, показали, что рассеивание альфа-частиц могло произойти только в результате столкновения с положительно заряженными частицами вещества, сконцентрированными в атоме внутри области диаметром порядка 10^-14 м. Эта часть атома была названа Резерфордом атомным ядром. В ядре сосредоточена почти вся масса и весь положительный заряд атома. Размеры атомных ядер очень малы: они почти в 10⁴ раз меньше размеров атома. Если мысленно увеличить размеры ядра до размеров шарика радиусом в 1 см, то атом превратится в шар радиусом 100 м!

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Всё остальное пространство внутри атома заполнено электронами, совершающими сложные движения вокруг ядра. Если бы электроны не двигались вокруг ядра, то они притянулись бы к положительно заряженному ядру и ядро стало бы электрически нейтральным. Но это предположение противоречит результатам опыта Резерфорда.

Таким образом из описанных опытов резерфорд сделал вывод, что атомы всех химических элементов состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых движутся отрицательно заряженные электроны. Эта модель атома называется ядерной или планетарной, так как она напоминает строение солнечной системы.

1. Заряд ядра. Поскольку входящие в состав ядра атома всех химических элементов нейтроны электрически не заряжены, то суммарный заряд ядра определяется только зарядом находящихся внутри него протонов.

Число протонов в ядре данного элемента равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Так, ядро водорода имеет один протон, ядро гелия – два, ядро меди – 29, ядро урана – 92 протона. Альфа-частица, в состав которой входит два протона, является ядром атома гелия.

Обозначим заряд одного протона буквой е (он численно равен заряду электрона), тогда заряд ядра будет:

q=Zе.

ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА

1. Число электронов в атоме. В нормальном состоянии атомы всех веществ электрически нейтральны. Значит, положительный заряд ядра и отрицательный заряд всех электронов, вращающихся вокруг него, одинаковы по величине. Так как величина заряда у протона и электрона одинакова, то один протон нейтрализует заряд одного электрона. Следовательно, в нормальном состоянии число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре, и это число совпадает с номером данного элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

2. Ионизация атома. Электрически нейтральный атом имеет столько электронов, сколько протонов содержит его ядро. При нагревании вещества или в результате соударения атома с другими частицами атом может перейти в возбуждённое состояние: наиболее удалённые от ядра электроны приобретают энергию, которая может оказаться достаточной для того, чтобы оторваться от ядра и вылететь за пределы атома. При отрыве электрона от нейтрального атома уменьшается отрицательный заряд атома, а положительный заряд остаётся нескомпенсированным, и атом в целом заряжается положительно. Если же нейтральный атом присоединит электроны, атом станет отрицательно заряженным. Электрически заряженный атом (или группа атомов) называется ионом, а процесс превращения нейтральных атомов вещества в электрически заряженные частицы называется ионизацией атомов.

3. Электронная оболочка атома. Движение электрона внутри атома подчиняется строгим закономерностям. Электрон вращается вокруг ядра с очень большой скоростью и образует вокруг него своеобразное электронное облако. При этом точно определить траекторию движения электрона внутри электронного облака принципиально невозможно. Электронное облако – это не траектория движения электрона, а часть внутриатомного пространства, в котором движется электрон.

Форма и расположение электронных облаков относительно ядра зависят от состояния движения электронов внутри атома. Размеры электронного облака в основном обусловливаются энергией электронов, которые его образуют.

Все электроны, обладающие одинаковой энергией, находятся на одном и том же энергетическом уровне и образуют вокруг ядра электронный слой. В атомах имеется 7 энергетических уровней и соответственно этому 7 электронных слоёв, их нумеруют, начиная от ядра.

В каждом электронном слое может содержаться определённое максимальное число электронов: X = 2n²,

где n – номер слоя. Следовательно, первый слой максимально может содержать 2 электрона, второй – 8, третий – 18, четвёртый – 32 электрона и т. д.

Электроны, находящиеся в одном и том же слое, обладают одинаковой энергией, однако моменты импульса (количества движения) у них различны и по этой причине состояния их движения неодинаковы. Состояния электронов, имеющих одинаковую энергию, но отличающихся моментами импульса, условно обозначают буквами s, p, d, f, g, h. . . Число электронов в слое, имеющих одинаковые моменты импульсов, определяются по закону арифметической прогрессии:

I = 2 + 4 (n-1),

n – номер слоя. Значит в s-состоянии максимально может находиться 2 электрона, в p-состоянии – 6, в d-состоянии – 14 электронов и т. д.

1. Строение электронных оболочек атомов. Зная общее число электронов в атоме (Z) и число электронов в слое (Х), можно составить структурную схему строения электронных оболочек всех атомов. Наиболее простое строение имеет атом водорода (табл. 1): вокруг его ядра движется всего один электрон. Он находится в s-состоянии в первом электронном слое. Условно этот факт обозначается так: 1s¹. Здесь цифра 1 перед буквой указывает номер слоя, буква s – состояние электрона, а индекс ¹ – число электронов, находящихся в данном состоянии.

Таблица 1.

Атом гелия имеет 2 электрона. Они находятся в первом электронном слое в s –состоянии и поэтому структурная формула его электронной оболочки имеет вид 1s².

Атом лития занимает третье место в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и максимально может содержать 3 электрона. Первые два электрона находятся в первом слое в s –состоянии, а третий электрон заполняет s –состояние, но уже второго слоя. Электронная оболочка атома лития изображается так: 1s²2s¹.

Атом бериллия содержит 4 электрона. Два из них находятся в первом слое, а два других во втором, причём последний, четвёртый электрон заполняет s –состояние второго слоя. Структурная формула электронной оболочки атома бериллия имеет вид: 1s²2s².

Так s –состоянии может находиться только два электрона, то пятый электрон у атома бора переходит в р –состояние второго слоя: 1s²2s²2р¹. У всех элементов, расположенных в периодической системе элементов Д. И. Менделеева за бором, постепенно происходит заполнение р –состояния второго слоя. Застройка второго слоя заканчивается у атома неона и у элементов третьего периода появляется третий электронный слой" Он начинает заполняться электронами в таком же порядке, как и второй слой и т.д.

АТОМА И МОЛЕКУЛЫ

1. Молекулы. На сегодняшний день известно 107 различных видов атомов. Из них 88 видов устойчивы и постоянно существуют в природе, а 19 видов неустойчивы и были получены в лабораторных условиях.

Атомы химических элементов в результате электромагнитного взаимодействия соединяются между собой и образуют ещё более сложные частицы вещества – молекулы. В отличие от атомов молекулы химически делимые частицы вещества. Молекулы способны существовать самостоятельно, сохраняя все свойства данного вещества.

При объединении одинаковых атомов образуются молекулы простых веществ, например кислорода, водорода, хлора и др. при объединении атомов разных элементов (например, кислорода и водорода) образуются молекулы сложных веществ (например, воды). Подобно тому, как из 33 букв русского алфавита можно составить тысячи слов, так из различных сочетаний атомов разных элементов могут образовываться различные вещества, число и свойства которых практически неисчерпаемы.

1. Ионная связь. В природе существует два основных способа объединения атомов в молекулы. Первый способ состоит в том, что один из атомов отдаёт один или несколько электронов, находящихся в наиболее удалённом от ядра слое, другому атому. Благодаря этому нейтральные атомы превращаются в ионы противоположных знаков и притягиваются друг к другу. Связь этого типа между атомами называется ионной. Ионная связь возникает между атомами разных элементов. Например, атом натрия имеет 11, а атом хлора – 17 электронов. В последнем – валентном – слое атома натрия находится 1 электрон, а атома хлора – 7 электронов. При их сближении этот электрон атома натрия отрывается от него и переходит к атому хлора. Атом натрия превращается в положительный ион, а атом хлора – в отрицательный ион, они притягиваются друг к другу и образуют сложное вещество – хлорид натрия.

2. Ковалентная связь. Другим типом связи между атомами в молекулах является ковалентная связь. Она может образоваться как между атомами одного и того же элемента, так и между атомами разных элементов, например при сближении двух атомов водорода на расстояние, сравнимое с их собственными размерами, их электроны начинают одновременно вращаться вокруг обоих ядер. Они образуют общее двухэлектронное облако, которое притягивается к обоим ядрам сильнее, чем каждому в отдельности, и таким способом не даёт им разлететься в стороны. Так возникает ковалентная связь в молекуле водорода.

В многоэлектронных атомах (хлор, кислород, азот и др.) ковалентная связь осуществляется электронами, находящимися на внешних слоях (валентными электронами). Электроны, находящиеся на внутренних слоях, постоянно вращаются вокруг собственных ядер. Например, атом кремния имеет 4 валентных электрона. При сближении с четырьмя другими атомами кремния все атомы обмениваются своими валентными электронами. Вокруг ядер каждых двух соседних атомов вращается по два общих электрона. В итоге во внешнем слое каждого атома вращается по 8 электронов, т. е. возникает наиболее устойчивая электронная структура атомов.

1. Два вида ковалентной связи. Различают два вида ковалентной связи: неполярную и полярную. В молекулах, состоящих из одинаковых атомов, общая электронная пара размещается симметрично и, таким образом, в одинаковой мере принадлежит обоим атомам. Такая ковалентная связь называется неполярной.

Если же молекула состоит из различных атомов, то общая электронная пара смещается в сторону того атома, у которого способность притягивать и удерживать электроны на внешнем слое больше. Вследствие этого в молекуле возникает некоторое смещение избыточного отрицательного заряда электронов относительно некоторого избыточного положительного заряда ядра. Такая ковалентная связь называется полярной. Она присуща молекулам воды, хлористоводородной кислоты, сероводорода и ряда других веществ.

РАЗМЕРЫ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Фотографии молекул и атомов. Атомы и молекулы чрезвычайно малы, их невозможно различить даже с помощью самых сильных оптических микроскопов. Впервые удалось увидеть отдельные крупные молекулы и группы атомов с помощью электронного микроскопа. В отличии от оптического в электронном микроскопе изучаемый объект «освещается» пучком электронов. Полученное при этом изображение можно наблюдать на специальном экране или сфотографировать. На такой фотографии такой фотографии (рис. 3) хорошо видна дискретная структура вещества: чётко различаются множества отдельных частичек, разделённые промежутками. Зная с каким увеличением получена, фотография, можно определить линейные размеры атомов и молекул.

Рисунок 3. Фотография молекул, полученная в электронном микроскопе.

1. Размеры молекул и атомов. Рассмотрим один из наиболее простых способов, позволяющих оценить размеры молекул. Растворим 0,5 см³ стеариновой кислоты в 1 л бензола и с помощью глазной пипетки капнем одну каплю на поверхность химически чистой (дистиллированной) воды. Капля растекается, а бензол улетучивается и на поверхности воды образуется чрезвычайно тонкий слой стеариновой кислоты, толщина которого равна диаметру одной молекулы. Определив толщину слоя, можно приближённо оценить и размеры молекул стеариновой кислоты.

Очевидно, что толщину слоя d мы узнаем, если объём капли V разделим на площадь слоя S: . Так как мы растворили 0,5 см³ стеариновой кислоты в 1 л (10³ см³) бензола, то значит в 1 см³ раствора содержится стеариновой кислоты. Из 1 см³ получается 50 капель, следовательно объём одной капли: .

Растекаясь по поверхности воды, одна капля образует слой площадью около 50 см² и, следовательно, его толщина, а значит и диаметр молекул стеариновой кислоты

В мире атомов и молекул это настоящие гиганты. Молекулы подавляющего большинства веществ имеют значительно меньшие размеры. Так, например, диаметр молекул кислорода примерно равен 0,3 нм, молекул воды 0,26 нм. Самая маленькая молекула в природе – молекула водорода; её диаметр равен всего 0,12 нм. Самыми большими являются молекулы органических соединений и полимеров, нередко состоящие из нескольких тысяч атомов. Длина одной из таких гигантских молекул – молекулы альбумина – составляет 43 нм.

Достоверные сведения об истинных размерах атомов впервые были получены с помощью рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи способны проходить через сравнительно толстые слои различных веществ, подобно тому, как солнечные лучи проходят через оконное стекло. Попадая на фотопластинку, рентгеновские лучи «рисуют» нам картину расположения атомов внутри исследуемого вещества, по которой можно определить и собственные размеры атомов. Тщательные измерения и анализ фотографий, полученных с помощью рентгеновских лучей, позволили установить, что размеры атомов всех химических элементов находятся в пределах 0,1÷0,3 нм.

МАССА АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Атомная единица массы. Как известно, атомы и молекулы состоят из определённого количества элементарных частиц – электронов, протонов и нейтронов, обладающих массой. Следовательно, атомы и молекулы всех веществ также обладают определённой массой. Масса атома и молекулы чрезвычайно мала. В настоящее время её измеряют с очень большой точностью при помощи специальных приборов – масс-спектрометров.

Таблица 2.

В табл. 2 приведены значения масс некоторых атомов, измеренные в килограммах. Не трудно заметить, что в этом случае масса даже наиболее тяжёлых атомов – свинца и урана – выражается очень малыми и поэтому неудобными для расчётов числами.

Чтобы устранить это неудобство, для измерения массы атомов и молекул была принята специальная единица – атомная единица массы (сокращённо а. е. м.). за атомную единицу массы принимается 1/12 доля массы атома углерода. Пользуясь данными приведёнными в табл. 2, легко рассчитать, что 1 а. е. м. = 1,66·10^-27 кг и определить массу атомов всех химических элементов в а. е. м.

Масса атома, измеренная в атомных единицах массы, называется атомной массой. Масса молекулы, измеренная в атомных единицах массы, называется молекулярной массой. Молекулярная масса представляет собой сумму атомных масс атомов, составляющих данную молекулу. Определим, например, молекулярную массу оксида азота (I) – так называемой закиси азота – газа, применяемого в медицине для наркоза. Химическая формула этого вещества N₂O, следовательно, её молекулярная масса (с точностью до целых) m=2·14 а. е. м. + 16 а. е. м. Аналогично можно определить молекулярную массу любого вещества.

1. Закон Авогадро. Постоянная Авогадро. Определим молекулярную или атомную массу ряда веществ и результаты вычислений занесём в табл. 3. Возьмём несколько граммов каждого вещества, сколько атомных единиц массы содержит одна его молекула или атом, т. е. 12 г углерода, 32 г кислорода, 28 г азота и т.д.

Количество вещества, масса которого в граммах численно равна его молекулярной или атомной массе, называется молем данного вещества. Будем обозначать массу моля данного вещества (молярную массу) буквой µ. В СИ её размерность кг/моль. Таким образом, один моль углерода равен 12·10^-3 кг/моль, кислорода 32·10^-3 кг/моль, воды 18·10^-3 кг/моль и т. д. (см. табл. 3).

Таблица 3.

Зная массу одного моля и массу одной молекулы (атома), найдём число молекул, содержащихся в одном моле различных веществ. Если проделать соответствующие расчёты. То для всех веществ результаты получаются одинаковыми, т. е. в одном моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул: N=6,02·10²³ 1/моль. Это есть закон Авогадро – один из фундаментальных законов молекулярной физики. Число атомов или молекул, содержащихся в одном моле вещества, носит название постоянной Авогадро.

Зная постоянную Авогадро N и массу одного моля µ, можно определить массу атома или молекулы исследуемого вещества: .

1. Число молекул или атомов, составляющих данное тело. Зная постоянную Авогадро, можно определить и число атомов или молекул n, составляющих тело любой массы М. Если масса одного атома или молекулы равна m, то, очевидно, масса всего тела M=mn, а масса одного моля μ=mN. Разделим эти два уравнения почленно: , откуда .

2. Количество вещества. Все окружающие нас тела состоят из различных веществ. И кирпич, и таблетка ацетилсалициловой кислоты, и стакан воды содержат определённое количество вещества. О количестве вещества, заключённом внутри тела, можно судить по количеству его абсолютно одинаковых структурных элементов, из которых оно состоит. Такими структурными элементами могут быть молекулы, ионы, атомы и другие частицы, из которых построено изучаемое вещество. Однако число частиц, составляющих макроскопические тела, настолько велико, что практически их посчитать невозможно. Поэтому для определения количества вещества, составляющего данное тело, условились сравнивать число частиц, из которых оно состоит, с числом частиц, содержащихся в одном моле углерода.

Величина, измеряемая отношением числа структурных элементов nиз которых построено данное тело, к числу атомов N, содержащихся в одном моле углерода, называется количеством вещества. .

За единицу количества вещества в СИ принимается такое его количество, которое содержится в одном моле углерода. Единице количества вещества присвоено название моль. Так, если количество вещества равно 1,5 моля, то это означает, что данное тело содержит в 1,5 раза больше частиц (молекул, атомов, ионов), а значит и вещества, чем его содержится в 12 г (в одном моле) углерода.

Если массы частиц, из которых построено тело, совершенно одинаковы, то о количестве вещества в данном теле можно судить по его массе. Действительно, учитывая соотношение , количество вещества: .

1. Плотность вещества. Сравним массу алюминиевого и медного цилиндров одинакового объёма, положив один из них на чашку весов, а другой на вторую. Медный цилиндр тяжелее алюминиевого. Значит масса медного цилиндра больше алюминиевого. Так как массы цилиндров различны, то и количество вещества, из которого они состоят, неодинаково: его больше в том цилиндре, масса которого больше. Поскольку объёмы цилиндров одинаковы, то, очевидно, вещество внутри медного цилиндра упаковано более плотно, чем внутри алюминиевого: в каждой единице объёма медного цилиндра содержится больше вещества, чем у алюминиевого.

Величина, измеряемая массой вещества, содержащейся в единице объёма тела, называется плотностью вещества: .

Плотность вещества характеризует плотность упаковки частиц вещества внутри тела. Установим единицу плотности вещества в СИ:

= .

За единицу плотности вещества в СИ принимается плотность такого вещества, 1 м³ имеет массу в 1 кг.

За единицу плотности вещества в системе СГС принимается плотность такого вещества, 1 см³ которого имеет массу в 1 г:

= .

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Молекулярные силы. В состав атомов и молекул входят электрически заряженные частицы вещества – протоны и электроны. Поэтому между атомами и молекулами всех веществ одновременно действуют и силы притяжения (между разнородно заряженными частицами), и силы отталкивания (между однородно заряженными частицами). Силы действующие между атомами и молекулами вещества, называются молекулярными силами. Они имеют электромагнитную природу. В реальном существовании молекулярных сил нас убеждают многие опытные факты. Так, например, тот факт, что твёрдые тела сохраняют свои размеры и форму, можно объяснить только тем, что между атомами и молекулами твёрдых тел существуют силы притяжения. Если плотно прижать друг к другу несколько металлических хорошо отполированных плиток, то благодаря силам притяжения между молекулами они так прочно удерживаются друг возле друга, что из них можно составить целую цепочку.

Силы молекулярного притяжения возникают не только между однородными, но и между разнородными веществами. Подвесим на нитях к динамометру стеклянную или хорошо отполированную металлическую пластинку так, чтобы её нижняя поверхность соприкасалась с водой. Теперь попробуем оторвать её от воды. Пружина динамометра заметно растягивается: между молекулами воды и пластинки возникают силы притяжения. Силы притяжения между молекулами возникают всегда, когда расстояние между молекулами становится равным или меньше радиуса сферы молекулярного действия. Величина этих сил определяется природой взаимодействующих молекул.

Существование сил отталкивания между молекулами вещества можно также обнаружить на многих опытах. Нажмём на поршень велосипедного насоса, закрыв выходное отверстие. Дожать поршень до конца нам не удаётся: между молекулами газа действуют силы отталкивания.

Закроем отверстие медицинского шприца, заполненного жидкостью. Нажимая на его поршень, мы обнаружим, что между молекулами жидкости существует настолько большие силы отталкивания, что силы человека недостаточно, чтобы сколько-нибудь заметно уменьшить объём жидкости.

Изогнём металлическую линейку, её форма и размеры изменяются. После прекращения действия внешних сил линейка восстанавливает свою форму и размеры. Это возможно только в том случае, если между частицами, из которых она состоит, действуют силы отталкивания и притяжения одновременно.

1. Сфера молекулярного действия. Молекулярные силы действуют только на очень малых расстояниях: молекулы взаимодействуют только со своими ближайшими соседями. Это заключение подтверждается наблюдениями. Разбитые части стеклянной трубки не удаётся соединить вновь. Почему? Очевидно, потому, что из-за неровностей поверхности излома молекулы находятся на таких расстояниях, где молекулярные силы уже не действуют. Если же нагреть место излома, то стекло становится мягким, теперь его отдельные части легко сблизить, между молекулами возникают достаточно большие силы и обе части стеклянной трубки легко соединяются.

Таким образом, молекулярные силы очень быстро уменьшаются с расстоянием и практически становятся равными нулю, когда расстояние между центрами молекул превышает 1 нм. Область пространства, в которой действуют молекулярные силы, называется сферой молекулярного действия, радиус этой сферы порядка 1 нм.

1. Зависимость молекулярных сил от расстояния между молекулами. Силы притяжения и отталкивания, действующие между молекулами, весьма сложным образом зависят от расстояния между ними. Характер этой зависимости наглядно иллюстрирует график, приведённый на рис. 4. На оси абсцисс отложены расстояния между центрами частиц r, на оси ординат – силы взаимодействия между ними. Силы отталкивания F₁ условимся считать положительными, а силы притяжения F₂ – отрицательными. Когда расстояние между частицами увеличивается, силы притяжения F₂ и силы отталкивания F₁ уменьшаются, но неодинаково: силы отталкивания уменьшаются быстрее сил притяжения. Наоборот, при сближении частиц друг с другом силы притяжения и силы отталкивания увеличиваются одновременно, но опять таки неодинаково: силы отталкивания увеличиваются быстрее сил притяжения. На определённом расстоянии а между центрами взаимодействующих частиц силы притяжения оказываются равными силам отталкивания. В этом положении частицы находятся в состоянии равновесия относительно друг друга. Расстояние между частицами , находящимися в состоянии равновесия, называется равновесным расстоянием. Если расстояние между центрами частиц становится меньше равновесного, то силы отталкивания, увеличиваясь быстрее сил притяжения, начинают превалировать над силами притяжения и частицы отталкиваются друг от друга. При увеличении расстояния между центрами частиц силы притяжения становятся больше сил отталкивания и частицы притягиваются друг к другу.

ДВИЖЕНИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Броуновское движение. Непосредственно наблюдать движение отдельных атомов или молекул невозможно, но существует много явлений , которые косвенно, но не менее убедительно свидетельствуют о движении молекул.

Впервые такое явление наблюдал в 1827 г. английский ботаник Р. Броун рассматривая в микроскоп споры растений, он заметил, что они, плавая в воде, непрерывно движутся по ломаным зигзагообразным траекториям. Такое же движение частиц можно наблюдать, если в воде размешать немного краски или при наличии в воздухе твёрдых частиц дыма. Масса и размеры этих частиц в тысячи раз больше размеров молекул. Они получили название броуновских частиц. Наблюдения показывают, что броуновские частицы совершают непрерывное, никогда не прекращающееся беспорядочное движение, получившее название броуновского движения.

1. Причина броуновского движения. Наиболее тщательное экспериментальное исследование броуновского движения было выполнено французскими учёными Жаном и Франсисом Перренами. Они отметили точками положение одной и той же броуновской частицы через каждые 30 с. Полученные точки соединили прямыми и получили картину, подобную той, что изображена на рис. 5.

Рисунок 5. Броуновское движение.

При внимательном наблюдении движения броуновских частиц создаётся впечатление, что они движутся под действием ударов каких-то невидимых глазом частичек вещества. Это молекулы самой жидкости или газа, которые непрерывно бомбардируют броуновскую частицу со всех сторон одновременно. Если число ударов с одной стороны случайно окажется больше, чем с другой, броуновская частица приходит в движение; если за этим следует толчок с другой стороны, направление движения частицы изменяется. Так объясняется хаотичность движения броуновских частиц. Хаотичность броуновского движения доказывает беспорядочность движения молекул жидкости и газа.

1. Явление диффузии. Помимо броуновского движения, известны и другие факты, свидетельствующие о движении атомов и молекул. С помощью пипетки внесём в высокий стеклянный цилиндр каплю брома. Бром испаряется и его пары, хотя он и тяжелее воздуха, постепенно заполняют весь сосуд.

Если в дистиллированную воду осторожно с помощью пипетки добавить немного раствора медного купороса, то в течение нескольких дней молекулы медного купороса поднимутся вверх и медленно окрасят воду в голубой цвет.

Две металлические пластинки , плотно прижатые друг к другу в течение нескольких лет, срастаются вместе. Если же эти пластинки поместить в печь при температуре 300 – 400 °С, то такой же результат получится через несколько суток.

Процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в межмолекулярные промежутки другого без воздействия внешних сил называется диффузией. Она возможно только благодаря тому, что частицы вещества находятся в состоянии непрерывного движения. таким образом, явления броуновского движения и диффузии убеждают нас в том, что молекулы, атомы и ионы находятся в состоянии непрерывного движения.

Явление диффузии играет важную роль в живой природе. Оно лежит в основе обмена веществ и энергии в живых организмах. Благодаря диффузии питательные вещества переходят из окружающей среды в живую клетку, а продукты распада выводятся из неё в окружающую среду. Без этих процессов жизнь невозможна.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В ТРЁХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

1. Четыре состояния вещества. Вещество может находиться четырёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном. В естественных условиях различные вещества находятся, как правило, в каком-то одном состоянии: железо в твёрдом, ртуть в жидком, а воздух в газообразном состоянии. Однако железо при сильном нагревании переходит в жидкость, а ртуть при сильном охлаждении – в твёрдое состояние. Путём одновременного сжатия и охлаждения можно получить жидкий или даже твёрдый воздух.

Подавляющее большинство известных нам веществ в естественных условиях состоит из нейтральных атомов и молекул. Но наряду с этим в природе существуют и такие вещества, которые состоят из электрически заряженных частиц: свободных электронов и ионов. Вещество, состоящее из совокупности свободных электронов и ионов, называется плазмой. Плазма – это четвёртое состояние вещества. Из неё состоят звёзды, в том числе и Солнце, в состоянии плазмы находится верхняя часть земной атмосферы – ионосфера – и так называемая межзвёздная материя, заполняющая всё космическое пространство.

1. Строение вещества в твёрдом состоянии. Внутренняя структура вещества определяется его агрегатным состоянием. Твёрдое агрегатное состояние характеризуется строго определённым порядком расположения. Если мысленно соединить между собой центры частиц вещества в твёрдом состоянии, то окажется, что вдоль определённого направления они расположены на равных расстояниях друг от друга (рис. 6). Для разных направлений эти расстояния могут быть различными. Такое расположение частиц, при котором их центры расположены на равных друг от друга расстояниях в любом из произвольно выбранных направлений, называется дальним порядком. Тела, в структуре которых соблюдается дальний порядок, получили название кристаллов.

Рисунок 6. Кристалл хлорида натрия.

Процесс образования кристалла – это процесс сближения частиц, из которых он состоит. Пока расстояние между этими частицами сравнительно велико, они притягиваются друг к другу. По мере их сближения силы притяжения уравниваются с силами отталкивания и частицы оказываются расположенными на одинаковых расстояниях друг от друга. При этом потенциальная энергия частиц имеет минимально возможное значение. Так как всякая система частиц самопроизвольно переходит в такое положение, в котором она имеет минимум потенциальной энергии, частицы кристалла оказываются наиболее плотно и рационально упакованными (рис. 6). Среднее расстояние между частицами кристаллов очень малы (не превышают 0,1 – 0,2 нм). В различных кристаллах плотность упаковки и расположение частиц неодинаковы, но для данного кристалла плотность упаковки и взаимное расположение частиц строго постоянны.

1. Кристаллическая решётка. Внутри любого кристалла можно выделить объём минимальных размеров – так называемую элементарную ячейку с наименьшим числом частиц (рис. 6), структура которой многократно повторяется в определённой последовательности. Если мысленно соединить центры частиц, образующих кристалл, отрезками прямых, то мы получим своего рода «скелетную» схему кристалла – пространственную кристаллическую решётку. Она представляет собой очень удобную модель, которая значительно облегчает изучение взаимного расположения частиц внутри кристалла. Точки, в которых расположены центры частиц твёрдого тела, называются узлами кристаллической решётки.

2. Строение вещества в жидком состоянии. При переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое его объём несколько увеличивается. Это свидетельствует о том, что частицы вещества в жидком состоянии упакованы менее плотно, чем в твёрдом. Среднее расстояние между частицами в жидкости несколько больше, чем в кристаллах. При переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое, дальний порядок в расположении частиц нарушается и между ними образуются пустоты, размеры которых сравнимы с размерами самих частиц (рис. 7).

Однако частицы в жидкости расположены не совсем беспорядочно. Если соединить между собой центры частиц, находящихся в одной плоскости, то оказывается, что каждая из них в среднем окружена 5-6 соседними частицами, находящимися в вершинах неправильных пятиугольников. Этот порядок в расположении частиц жидкости соблюдается только вблизи данной молекулы или иона. Вблизи другой молекулы (иона) соседние частицы тоже образуют неправильный пятиугольник, но расположены они относительно друг друга по-иному. Такой порядок в расположении частиц вещества, который соблюдается только вблизи данной частицы, называется ближним порядком. Он характерен для вещества в жидком состоянии.

Рисунок 7. Расположение молекул воды.

1. Жидкие кристаллы. Ближний порядок в расположении частиц наблюдается у подавляющего большинства жидкостей. Но наряду с этим в природе существуют и такие жидкости, у которых соблюдается и дальний порядок. Они получили название жидких кристаллов. В настоящее время известно более 3000 веществ, имеющих в жидком состоянии кристаллическое строение. Многие из них биологического происхождения. Так, например, мозг человека представляет собой очень сложную жидкокристаллическую структуру. Хранительница кода наследственной информации – дезоксирибонуклеиновая кислота – это жидкий кристалл, состоящий из гигантских молекул.

В отличие от твёрдых кристаллов, где дальний порядок наблюдается по всем трём взаимноперпендикулярным направлениям, в жидких кристаллах соблюдается дальний порядок только в каком-то направлении. Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние вещества между твёрдыми кристаллами и обычными жидкостями. При изменении внешних условий – температуры, давления, при появлении примесей – дальний порядок в жидких кристаллах нарушается и они превращаются в обычную жидкость.

1. Аморфные тела. В природе существуют такие твёрдые тела, внутренняя структура которых ничем не отличается от структуры жидкостей. Твёрдые тела, у которых соблюдается только ближний порядок, получили название аморфных тел.

Аморфное состояние – это так называемое метастабильное (не совсем устойчивое) состояние вещества. Со временем вещество из аморфного состояния переходит в кристаллическое. Так, например, аморфное тело – стекло – с течением времени «стареет», т.е. кристаллизуется, леденец засахаривается, аморфная сера и кварц самопроизвольно превращаются в кристаллы.

Таким образом, аморфное состояние (как и жидкие кристаллы) является промежуточным между кристаллическим и жидким состоянием.

1. Строение вещества в газообразном состоянии. Сравним плотности одних и тех же веществ в жидком и газообразном состояниях. В газообразном состоянии плотность в несколько тысяч раз меньше, чем в жидком. Масса и размеры частиц при переходе вещества из одного состояния в другое не изменяются. Значит столь большое уменьшение плотности при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное можно объяснить только тем, что резко увеличиваются средние расстояния между частицами вещества.

В отличие от твёрдого и жидкого состояния, где наблюдается дальний или ближний порядок, в газообразном состоянии отсутствует какая-либо закономерность в расположении частиц вещества (рис. 7). Вещество в газообразном состоянии представляет собой совокупность хаотически расположенных атомов и молекул, находящихся на значительных расстояниях друг от друга. На столь больших расстояниях молекулы газа оказываются вне сферы молекулярного действия и поэтому практически не взаимодействуют друг с другом.

ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА В ТРЁХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

1. Характер движения частиц в кристаллах. В кристаллах частицы вещества расположены строго определённом порядке и упакованы очень плотно. Поэтому при смещении частицы от её равновесного положения увеличиваются силы отталкивания между этой частицей и той, к которой она приближается. Частица вынуждена возвращаться в исходное равновесное положение. По инерции она проходит равновесное положение и смещается в другую сторону от него. Таким образом, частицы твёрдого тела совершают колебательное движение возле своего положения равновесия. Эти колебания происходят в самых различных направлениях.

Наряду с колебательными движениями частицы кристаллов могут совершать и поступательные движения. Дело в том, что в пространственной решётке кристаллов нередко возникают различные дефекты. Один из таких дефектов состоит в том, что в узле пространственной решётки кристалла отсутствует частица и возникает пустое место – вакансия.

При наличии вакансий в пространственной решётке кристалла частицы вещества, совершая колебательные движения, не встречают противодействия со стороны ближайшей соседней частицы (её там нет) и, продолжая отклоняться от положения равновесия, переходят в соседний узел решётки. На освободившееся место может случайно перескочить какая-то другая соседняя частица. Интенсивность таких переходов зависит от количества вакансий в узлах пространственной решётки кристалла: чем их больше, тем больше частиц принимает участие в поступательном движении. Этим объясняется диффузия в кристаллах.

1. Характер движения частиц вещества в жидкостях. В жидкостях силы притяжения, действующие на молекулу со стороны её соседей (ближний порядок), некоторое время удерживают её на одном месте, и каждая молекула жидкости совершает поэтому колебательное движение относительно некоторого положения равновесия, как и частицы кристаллов. Время, в течении которого молекула жидкости колеблется около положения равновесия, называется временем оседлой жизни молекулы (время релаксации). Время оседлой жизни молекул очень мало, порядка 10^-10 – 10^-12 с.

Как уже указывалось, между частицами жидкости пустот гораздо больше (см. рис. 8), чем вакансий в кристаллах. Благодаря этому её молекулы могут двигаться поступательно из одного равновесного положения в другое. Такие переходы молекул внутри жидкости происходят совершенно беспорядочно. Таким образом, молекулы жидкостей в течение определённого промежутка времени совершают колебательное движение относительно своего положения равновесия, а затем переходят в новое равновесное положение, хаотически перемещаясь внутри жидкости.

1. Характер движения частиц вещества в газах. Частицы вещества, находящегося в газообразном состоянии, настолько удалены друг от друга, что практически не взаимодействуют между собой, и поэтому каждая молекула движется прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не столкнётся с другой молекулой. После столкновения она меняет направление и величину скорости своего движения и снова движется прямолинейно и равномерно до следующего столкновения. Расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега молекул газа.

При нормальных условиях (при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении) каждая молекула газа совершает за 1с несколько миллиардов столкновений. Можно ли при этом считать, что молекулы газа не взаимодействуют друг с другом? Взаимодействие молекул может осуществляться только если расстояние между ними не превышает 1 нм. Это примерно в 1000 раз меньше длины свободного пробега. Во столько же раз и время взаимодействия молекул меньше их свободного движения. Значит, случайные столкновения молекул – сравнительно редкое событие в их жизни. Чтобы легче это было представить, примем время, в течение которого происходит соударение молекул, за один «молекулярный год», тогда следующая такая встреча произойдёт только через 1000 «лет». Таким образом, при нормальном атмосферном давлении подавляющую часть времени молекулы не взаимодействуют между собой и движутся по инерции – прямолинейно и равномерно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Е. А. Безденежных, А. Ф. Шевченко. Физика : учебное пособие - Москва : Медицина, 1978. - 544 с

2. Васильев, А. А. Физика : учеб. пособие для СПО / А. А. Васильев, В. Е. Федоров, Л. Д. Храмов. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 211 с. 

3. Касьянов, В. А. Физика. 10 кл. : учебник для общеобразоват. учреждений / В. А. Касьянов. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004.