Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
2. В начале 19-го века атомно-молекулярная гипотеза получила убедительное подтверждение в химии в результате открытия закона постоянства состава и закона кратных отношений. Согласно первому из этих законов весовые количества химических элементов, из которых состоит то или иное химическое соединение, находятся со вполне определенном отношении. Так, один грамм водорода, чтобы образовать воду, должен соединиться с 8 граммами кислорода. Если отношение весовых количеств водорода и кислорода не равно 1 : 8, то излишек одного из этих химических элементов в реакцию не вступает.
Закон кратных отношений относится к таким реакциям, в которых два химических элемента А и В могут образовывать друг с другом не одно, а несколько химических соединений. Он утверждает, что весовые количества элемента В, вступающие в химические
186
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВЕЩЕСТВА [ГЛ. V
соединения с одним и тем же весовым количеством элемента А, находятся в отношении небольших целых чисел. Так, водород при соединении с кислородом может образовывать не только воду Н20, но и перекись водорода Н202. Весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же количество водорода в этих двух соединениях, относятся как 1 : 2. Еще лучшую иллюстрацию закона кратных отношении дают соединения азота с кислородом:
Семь граммов азота, соединяясь с
4 г кислорода,образуют 11 г закиси азота М20,
8 г » » 15 г окиси азота N0,
12 г » » 19 г азотистого ангидрида N203,
16 г » » 23 г двуокиси азота NOa,
20 г » » 27 г азотного ангидрида N2Os.
Весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же количество азота (7 г), в этих соединениях относятся как
4 : 8 : 12 : 16 : 20 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5.
Вряд ли возможно объяснить эти закономерности, не пользуясь представлением об атомах вещества. Объяснение, данное английским химиком Дальтоном (1766—1844), состоит в том, что в химических реакциях атомы различных веществ соединяются друг с другом в более сложные образования — молекулы, причем все молекулы химически чистого вещества построены совершенно одинаково. Вопрос о числе атомов в молекулах различных химических соединений удалось удовлетворительно решить на основе эмпирически найденного закона Гей-Люссака и предложенной для его объяснения гипотезы, получившей позднее название закона Аво-гадро. Согласно закону Гей-Люссака объемы газов (при одинаковых давлениях и температурах), вступающие в химические реакции друг с другом, а также объемы получающихся химических соединений в газообразном состоянии (при тех же давлениях и температурах) относятся между собой как целые и притом небольшие числа. Для объяснения этого закона Авогадро выдвинул гипотезу, по которой равные объемы различных газов при одинаковых давлениях и температурах содержат одно и то же число молекул. На этой гипотезе основаны в химии методы определения атомных и молекулярных весов. Ее строгое доказательство позднее было дано в кинетической теории газов. Значение атомно-молекулярной гипотезы в химии трудно переоценить. Без нее был бы невозможен быстрый прогресс этой науки в 19-м веке.
3. В физике строго научное развитие молекулярной теории началось примерно со второй половины 19-го века, главным образом благодаря трудам Клаузиуса, Максвелла (1831 —1879) и Больцмана (1844—1906), в которых были заложены основы кинетической
ВВЕДЕНИЕ
187
теории газов. О внутреннем строении атомов и молекул, а также о силах, с которыми они взаимодействуют между собой, в то время ничего ие было известно. Основоположники кинетической теории газов пользовались упрощенными, идеализированными моделями этих частиц. Молекулы и атомы они рассматривали как идеально твердые шарики или как материальные точки, взаимодействующие друг с другом центральными силами. Успехи теории были связаны ие с этими идеализированными моделями, имеющими ограниченную область применимости, а с тем, что теория строилась на осноеє общих принципов механики Ньютона: законах сохранения импульса и энергии, оправдавших себя не только для макроскопических тел, но и для микроскопических объектов, подчиняющихся квантовой механике. Широко использовались математические методы, в частности, методы математической теории вероятности. Существенно также, что теория развивалась под постоянным контролем опыта. Такая теория выгодно отличалась от наивных умозрительных построений предшествовавших атомистов.
4. До 20-го столетня на атомы смотрели как на мельчайшие неделимые частицы вещества. Это представление оказалось неверным. Атом является сложной системой, состоящей из ядра и окружающей его электронной оболочки. Атомизм проявляется не в том, что атомы неделимы, а в том, что все атомы, равно как и все простейшие (так называемые элементарные) частицы рассматриваемого вида абсолютно тождественны и характеризуются вполне определенными признаками — массой, зарядом ядра, излучаемым спектром и пр. Подобной тождественности в области макромира ие существует — в макромире пет двух абсолютно одинаковых тел. Атомизм проявляется также в том, что внутренние состояния атомов не непрерывны, а дискретны. Энергия атома, например, может принимать не непрерывный, а лишь дискретный ряд значений. Дискретные значения энергии атома называются его энергетическими уровнями. Обычно атом находится в так называемом нормальном состоянии, в котором его энергия минимальна. Для того чтобы перевести атом в ближайшее возбужденное состояние, требуется внешнее воздействие и затрата энергии. Если этой энергии недостаточно, то после прекращения воздействия внутреннее состояние атома окажется в точности таким же, каким оно было до воздействия. Дискретность возможных состояний атомных систем и является той физической, хотя ранее и не осознававшейся причиной, которая позволила химикам прийти к представлению о неделимости атомов и дала возможность физикам в кинетической теории газов рассматривать атомы и молекулы как неизменяемые материальные точки или идеально твердые шарики. Однако при увеличении энергии внешних воздействий, например, при повышении температуры газа, такие представления становятся недействительными. Так, при температурах порядка 1000—3000 К молекулы начинают
