Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Объяснение сущности внутримолекулярной связи пришло лишь вместе с квантовой механикой. Мы только что сказали читателю, что энергия любой системы квантуется, сообщили, что на одном уровне энергии могут находиться два электрона с противоположно направленными «спинами». Далее, из основных гипотез квантовой механики вытекает одно интересное следствие. Оказывается (это уже не гипотеза, а строгий математический вывод, который мы не приводим и^-за его сложности), что самое низкое значение энергии, которое может принять электрон, определяется размерами области, внутри которой он движется. Чем больше эти размеры, тем энергия этого «нулевого уровня» ниже.
Теперь представьте себе, что два атома водорода приближаются друг к другу. Если они объединяются в одну систему, то «квартира» для каждого электрона станет примерно в два раза больше. В одной и той же квартире могут мирно ужиться два электрона с противоположно направленными спинами. Следовательно,
45
такое сожительство выгодно. Область существования для обоих электронов возросла. Значит суммарная энергия системы после объединения двух атомов в одно целое понизилась. Ну, а то, что* любе^я система — если • есть на то возможность — стремится перейти в состояние с наинизшей энергией, нам превосходно известно. По этой самой причине предоставленный сам себе ma? скатывается с горки.
¦Итак, образование химической связи означает обоб- .f ществление электронов. Имеется некоторое количество і электронов (их называют внутренними), которые вра- vi щаются около ядер атомов, но некоторые электроны (их I называют внешними) охватывают в своем движении по- . крайней мере пару ближайших атомов, а то и путешествуют по всем атомам молекулы. »
Вещество, построенное из молекул, мы узнаем по его і электрическим свойствам. Раствор такого вещества тока J не проводит. Молекулы не распадаются на части, а це- | лая молекула электрически нейтральна. В жидкостях \ и парах молекулы сохраняют свою структуру — вся | группа атомов движется как одно целое, перемещается J поступательно, вращается. Атомы, принадлежащие од- \ ной молекуле, могут лишь колебаться около своих по- ] ложений равновесия. ^
Нейтральная молекула не несет на себе алёктриче- j ского заряда. Но не торопитесь делать заключение, что | такая молекула не создает электрического поля. Если \ молекула несимметрична, то центры тяжести ее положи- v тельного и отрицательного зарядов наверняка совпа-1 дать не будут. Интуитивно ясно, что совпадение цент- | ров тяжести зарядов обоих знаков будет иметь место | в таких молекулах, как кислород или азот, состоящих | из двух одинаковых атомов. Также нетрудно поверить, J что в такой молекуле, как, например, молекула угар- f ного газа СО, эти центры могут быть сдвинуты друг от- J носительно друга.-Если такое смещение есть, то про J молекулу говорят: она обладает дипольным моментом. J
Термин имеет следующее происхождение: «диполь- J ная» молекула веДет себя как система двух точечных! зарядов (одна точка — центр тяжести отрицательных, 1 а другая — центр тяжести положительных зарядов). I Диполь характеризуется величиной заряда и «плечом»! диполя, т. е. расстоянием между центрами. 1!
46
Не требуйте от меня доказательства, что несимметричная молекула обладает электрическим дипольным моментом. Можно не тратить время на теоретические рассуждения потому, что наличие постоянного (или, как еще говорят, жесткого) дипольного момента без труда доказывается на опыте.
ДИЭЛЕКТРИКИ '
Между понятиями диэлектрик, непроводник тока и изолятор можно ставить знаки равенства.
К диэлектрикам относятся молекулярные газы, молекулярные жидкости, растворы твердых тел, построенных из молекул. Твердыми диэлектриками являются стекла, как органические, так и неорганические (силикатные, боратные и пр.), полимерные вещества, построенные из макромолекул, пластические массы, молекулярные кристаллы, а также ионные кристаллы.
Мы напомнили читателю в первой главе, что емкость конденсатора возрастает, если в пространство между пластинами внести любой диэлектрик. Представьте себе, что конденсатор подсоединен к источнику постоянного напряжения. Емкость возросла, но ведь напряжение осталось прежним. Значит к обкладкам конденсатора подошел дополнительный заряд. Казалось бы, напряженность поля должна была при этом возрасти. Но напряженность поля не изменилась: ведь она равна частному от деления напряжения на расстояние между пластинами. Как выйти из противоречия? Единственным coo-собом: приходится допустить, что в изоляторе возникло электрическое^ поле противоположного направления. Это явление носит название поляризации диэлектрика.
Что же это за особенные заряды, которые возникают внутри диэлектрика? Как понять неудачу попыток «отвести» в Землю заряд диэлектрика? Даже не зная ничего об электрическом строении вещества, мы можем сказать, что эти заряды «связанные», а не свободные, как в металле. Располагая же сведениями о строении молекул, мы сумеем исчерпывающим образом объяснить сущность явления поляризации, объяснить механизм образования «противополя», которое при прочих равных условиях тем больше, чем больше е.
