Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
В международной системе единиц (СИ) количество вещества измеряют в молях. Моль — это одна из основных единиц СИ:
1 моль — это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.
§ 11. ИЗМЕРЕНИЯ В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ
95
Моль любого вещества содержит одно и то же число атомов или молекул. Это число обозначается NA и называется постоянной Авогадро. Постоянную Авогадро можно найти, если разделить массу одного моля углерода на массу одного атома углерода:
= 0,012 кг/моль = 6 02. Ш23 _J_ (8)
А 1,995-10"26 кг моль
Количество вещества v, т. е. число молей, равно отношению числа молекул N в данном теле к постоянной Авогадро NA:
v = JL (9)
Молярная масса. Для характеристики конкретного вещества наряду с относительной молекулярной массой Мг в физике и химии широко используется молярная масса М. Молярной массой называют массу данного вещества, взятого в количестве одного моля. Молярная масса равна произведению массы т0 одной молекулы данного вещества на постоянную Авогадро NA:
M=m0NA. (10)
Если в формуле (9) числитель и знаменатель домножить на массу одной молекулы т0, то для количества вещества v в теле можно написать
где т = m0N — масса тела.
Размеры атомов и молекул. Представление о размерах отдельных атомов и молекул можно получить разными способами. Если предположить, что в конденсированном состоянии (т. е. в жидкой или твердой фазе) атомы или молекулы вещества «соприкасаются» друг с другом, то, определив приходящийся на одну молекулу объем, можно оценить ее размеры. Например, т = 1 г воды занимает объем V = 1 см3 и содержит N = NAm/M молекул, где М = 18 г/моль. Поэтому приходящийся на одну молекулу объем составляет 3-10-23 см3, а ее линейный размер г ~ VF«3-10-8 см.
Согласующуюся с этим значением оценку размеров молекул можно получить без использования постоянной Авогадро, если обратиться к простому опыту по растеканию капли масла на поверхности воды (опыт Ленгмюра). Предположив, что в масляном пятне молекулы располагаются в один слой, можно оценить толщину слоя, а тем самым и линейный размер молекул масла, разделив объем растекшейся капли масла на площадь образовавшегося пятна.
96
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
Более надежную информацию о расстояниях между атомами в твердых телах и жидкостях дают опыты по дифракции рентгеновского излучения — рентгено-структурный анализ. Оказывается, что молекулы многих веществ имеют размеры порядка 10-8 см. Лишь молекулы полимеров и некоторых органических веществ
Рис. 34. Электронный снимок фага Т-2 с увеличением в 180 ООО раз
(белков) могут иметь гигантские размеры, что позволяет получить
их изображение в электронном микроскопе, на котором отчетливо
различима их структура (рис. 34).
• Почему в опытах по отклонению пучка частиц в электрическом и магнитном полях можно определить не заряд частицы, а только отношение заряда к массе?
• Покажите, что след, оставляемый на фотопластинке пучком заряженных частиц, прошедших через поперечные, параллельные друг другу электрическое и магнитное поля, имеет форму параболы.
• Поясните идею метода фокусировки слабо расходящегося пучка электронов продольным магнитным полем.
• Милликен в своих опытах сначала использовал капельки воды, однако затем перешел к часовому маслу. Как вы думаете, с чем это связано?
• Почему установленная на опыте электрическая нейтральность молекулы водорода и атома гелия свидетельствует не только о равенстве
§ 12. МОЛЕКУЛЫ
97
электрических зарядов электрона и протона, но и о независимости величины заряда каждой частицы от ее движения?
• Проведите подробное сопоставление опыта Милликена по «взвешиванию» электрона и опыта Кавендиша по «взвешиванию» Земли.
• Поясните принцип фокусировки ионов в поперечном магнитном поле.
• Объясните принцип действия масс-спектрометра и его применение для количественного исследования состава вещества.
• Какую величину называют разрешающей способностью масс-спектро-метра? Что она характеризует?
• Как вводится атомная единица массы? Почему она основывается на атоме углерода \?С?
• Что такое относительная атомная или молекулярная масса? Почему при ее вычислении с помощью химической формулы вещества мы получаем приближенные значения?
• Поясните, каким образом достигается относительная точность 10~6 при масс-спектрографическом измерении массы изотопа с использованием дублета ЧС‘,Н4 и *8бО.
• При сгорании углерода 12 г углерода соединились с 32 г кислорода. Изменилось ли в результате этой химической реакции количество вещества?
• Сколько молекул воды содержится в капле объемом 1 см3?
• Как можно оценить размеры отдельных молекул?
§12. Молекулы
Все тела состоят из атомов или молекул. Что удерживает атомы в молекуле? Атомы соединяются в молекулы силами, которые обычно называют химическими. Конечно, никаких фундаментальных «химических» взаимодействий в природе не существует. Эти силы всегда сводятся к известным нам фундаментальным физическим взаимодействиям, причем определяющую роль в формировании химических связей играют электромагнитные силы. Проявления этих сил, несмотря на единую физическую природу, чрезвычайно разнообразны. Богатейший опыт изучения результатов действия сил между атомами накоплен в химии, но лишь с развитием квантовых представлений удалось дать объяснение разнообразным проявлениям этих сил на основе фундаментальных физических законов.
