Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий - Каштан И.Г.
Скачать (прямая ссылка):
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
В книге не рассмотрены взаимодействия в жидком состоянии, в частности специфика межмолекулярных взаимодействий в растворах, явления адсорбции на поверхности и ряд других не менее важных вопросов. Включение этого материала потребовало бы существенного расширения объема книги. Сведения по этим вопросам читатель может почерпнуть из более узкоспециализированных руководств.
В заключение; я хотел бы выразить глубокую признательность А. В. Тулубу за участие в работе над рядом разделов книги: совместно с А. В. Тулубом написаны § 1 гл. II, § 3 гл. III, пункт 2.1 гл. IV и § 3 Приложения II; а также О. Б. Родимовой, результаты совместной работы с которой использованы в книге. Автор признателен А. А. Нудельмаиу за полезные обсуждения некоторых математических аспектов теории и помощь в написании пункта 1.4 гл. II, Н. Д. Соколову за полезные обсуждения различных вопросов теории межмолекулярных сил. Благодарю Т. Н. Брик за большую помощь в оформлении книги. Наконец, я хотел бы выразить благодарность своей жене Ларисе Поповой за терпение, понимание и поддержку.
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. Значение изучения межмолекулярных взаимодействий; специфика предмета
Знание потенциалов межмолекуляриого взаимодействия *) требуется в широком круге задач физики, химии и биологии. Само наличие в природе жидкостей и твердых тел обязано существованию межмо л окулярных взаимодействий. Термодинамические свойства газов и жидкостей, их кинетические характеристики (коэффициенты теплопроводности, диффузии и т. д.) определяются характером межмолекуляриых взаимодействий. Межмолекуляриые | силы определяют и ббльшую часть свойств кристаллов, таких, как равновесная геометрия, энергия сцепления, фоиошше спектры ) и т. д.
Межмолекуляриые взаимодействия обусловливают образование сложных химических комплексов типа комплексов с переносом заряда, комплексов слодородной связью. Исследование механизма элементарных химических актов невозможно без знания процессов обмена поступательной и электронна-колебательной энергий, зависящих от взаимодействия частиц при столкновениях. Для расчета скоростей химических реакций требуется знание потенциальной поверхности, характеризующей взаимные траектории реагентов.
Велико значение межмолекулярных взаимодействий и в биологии. Достаточно сказать, что межмолекуляриые силы обеспечивают стабильность таких важных для жизни соединений, как ДНК и РНК; играют существенную роль в механизме мышечных сокращений. На балансе электростатических сил отталкивания и дисперсионных сил притяжения построена теория коагуляции коллоидных растворов.
Развитие новейшей техники потребовало знания микроскопических свойств газов в условиях, труднодоступных для экспери-
х) Здесь и в дальнейшем для краткости употребляем единый термин «меж-молекуляриое взаимодействие», подразумевая под ним и межатомные взаимодействия, не приводящие к образованию химической связи.
10
ВВЕДЕНИЕ
ментальных измерений (сверхзвуковые скорости, высокие температуры ^ 1000 К, сверхвысокие давления в ударных волнах). Требуемые характеристики газа могут быть рассчитаны, по для этого необходимо иметь найденрше независимо кривые потенциальной энергии в широком диапазоне расстояний. Знание сил межмолекулярного взаимодействия требуется также в теории молекулярных лазеров.
Основными источниками наших сведений о межмолекулярных силах служат:
а) эксперименты по рассеянию в атомно-молекуляриых пучках, позволяющие в ряде случаев непосредственно восстанавливать потенциалы по экспериментальным данным;
б) спектроскопические измерения (колебательно-вращательные спектры, предиссоциация, уширение линий давлением);
в) данные по термофизическим свойствам газов и жидкостей (вириальные коэффициенты, коэффициенты вязкости и переноса);
г) данные по свойствам кристаллов (упругие константы, фо-нонные спектры, энергия сублимации);
д) эксперименты по образованию радиационных дефектов в твердых телах (энергия фокусирования, пороговая энергия смещения, каналирование и т. п.);
е) эксперименты по ядерному магнитному резонансу в твердых телах и жидкостях (время спиновой и спин-решеточной релаксаций).
Для обработки экспериментальных данных используют модельные потенциалы парного взаимодействия с параметрами, получаемыми путем подгонки теоретических значений под экспериментальные. В зависимости от рассматриваемой системы и решаемой задачи используют потенциалы различного вида (см. § 1 гл. V).
Отметим, что эти полуэмпирические потенциалы не могут правильно описать межмолекулярный потенциал в широкой области расстояний. Потенциал с параметрами, калиброванными по одному свойству, часто неудовлетворителен для описания других свойств, поскольку различные физические свойства могут быть чувствительны к разным участкам потенциальной кривой. Поэтому для получения более достоверных потенциалов калибровку параметров следует проводить с привлечением максимального количества экспериментальной информации по физическим свойствам исследуемой системы. .Использование быстродействующих ЭВМ сделало возможным применение кусочных потенциалов, имеющих различный аналитический вид для разных интервалов расстояний.
