Начиная с 17 века физикам в их интерпретации природы помогала "кинетическая теория" материи, состоящей из очень маленьких частиц или молекул, находящихся в очень быстром случайном движении. С помощью этой теории внешние свойства материи можно было бы объяснить внутренним поведением частиц в движении.
Самая простая иллюстрация представлена газами, которые обладают двумя основными свойствами:
- 1) они имеют тенденцию расширяться до тех пор, пока полностью не заполнят любой контейнер, в который их вводят
- 2) они легко сжимаются при нормальных условий, и имеют плотность примерно в 1000 раз меньше, чем жидкости.
Эти свойства легко объясняются в терминах кинетической теории.
Газ имеет тенденцию заполнять свой контейнер, потому что он состоит из огромного количества молекул, которые могут очень быстро перемещаться случайным образом во всех направлениях. Газ может быть легко сжат, потому что, как правило, его молекулы очень широко разделены пустым пространством.
С другой стороны, молекулы твердого тела прочно связаны между собой силами сцепления, которые, как мы увидим, имеют электрическую природу.
Эти силы сцепления не столь сильны в случае жидкостей, которые, соответственно, обладают свойствами, промежуточными между газами и твердыми телами.
Молекулы жидкости почти соприкасаются друг с другом, но могут свободно скользить друг по другу. Следовательно, жидкость трудно сжимать, но она может свободно принимать форму своего контейнера.
Молекулы обладают ограниченной подвижностью в жидкостях и практически отсутствуют в твердых телах.
Однако во все времена внутри каждой молекулы происходит движение, а составляющие ее атомы вибрируют взад и вперед. Типичные вибрации составляют порядка 10 миллионов миллионы в секунду!
Эмпирическое исследование газов
Важные ранние сведения о природе материи были получены в результате эмпирического исследования газов, которые гораздо легче исследовать, чем жидкости или твердые вещества.
В 17 веке англо-ирландский химик Роберт Бойл экспериментально изучил поведение газа, содержащегося в цилиндре с подвижным поршнем, см.
Позже физики эмпирически установили общий закон, называемый " законом идеального газа". При условии, что давление не слишком высокое, а температура не слишком низкая, это закон гласит, что произведение (давления, оказываемого газом) раз (объем газа) пропорциональна (абсолютной температуре газа).
Статистическая механика
Довольно простое внешнее поведение, описываемое законом идеального газа, резко контрастирует с хаотической ситуацией, которая, согласно кинетической теории, существует внутри газа, где бесчисленные молекулы, сталкиваясь друг с другом, движутся во всех направлениях зигзагообразно.
Если бы скорости всех молекул могли быть определены в данный момент, и если бы взаимодействия между молекулами были известны, то, в принципе, весь будущий ход молекул можно было бы рассчитать, используя законы Ньютона. Однако на практике это совершенно невозможно из-за огромного количества молекул даже в небольшом объеме газа.
Воспользовавшись тем фактом, что задействовано так много молекул, было найдено решение путем применения статистического подхода с применением математических законов вероятности. Этот подход лежит в основе "статистической механики". Он не может сказать нам, что происходит с отдельными молекулами, но он может сделайте очень полезные выводы об их коллективном поведении.
Когда статистическое поведение молекул газа внутри цилиндра анализируется математически и результат сравнивается с законом идеального газа, возникает очень важный факт. Внешнее свойство температуры внутренне связано со случайным движением молекул: абсолютная температура газа пропорциональна средней кинетической энергии его молекул. Мы говорим о средней кинетической энергии, потому что молекулы в их случайном движении имеют скорости, которые изменяются в некотором диапазоне значений.
Тогда тепло - это кинетическая энергия частиц в случайном движении, а температура - мера их средней кинетической энергии. Чем сильнее молекулярное возбуждение, тем выше температура, которую мы измеряем.
Броуновское движение
Еще в первом десятилетии 20-го века атомная природа материи не была единодушно признана. Среди диссидентов были выдающиеся ученые, которые утверждали, что не было необходимости предполагать существование атомов.
Прямые убедительные доказательства были, наконец, предоставлены примерно в 1908 году, когда французский физик Жан Перрен с помощью ультрамикроскопа экспериментально подтвердил теорию Альберта Эйнштейна о так называемом "броуновском движении", названном в честь шотландского ботаника Роберта Брауна. В 1827 году Браун наблюдал под микроскопом быстрое покачивание зерен пыльцы, взвешенных в воде.
Позже он помог продемонстрировать, что покачивание не было вызвано какими-либо живыми организмами.
Используя статистическую механику, Эйнштейн смог разработать количественную теорию, которая объясняла колебание микроскопических частиц тем, что они непрерывно бомбардируются гораздо меньшими молекулами среды, в котором частицы были взвешены.
Чтобы передать некоторое представление о том, как малы и как многочисленны атомы, Кельвин использовал следующий пример. "Предположим, что вы могли бы отметить все молекул в стакане воды; затем вылейте содержимое стакана в океан и тщательно перемешайте его, чтобы равномерно распределить помеченные молекулы по всем семи морям; если бы вы взяли стакан воды где-нибудь из океана, вы бы нашли в нем около сотни ваших помеченных молекул".
#физика #наука и образование #техника #ученые выяснили #законы #движение #будущее #исследование