Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так на прошлой лекции мы с вами полностью закончили изучение механики, но физика на этом не остановилась, а продолжает развиваться и следующий класс явлений, который мы с вами будем изучать - это уже явления не механические, а тепловые. Но раздел, который мы сейчас начинаем изучать называется не тепловая, а молекулярная физика, почему так на этой лекции нам станет понятно. Молекулярная физика состоит из нескольких разделов:
- молекулярно-кинетическая теория,
- термодинамика,
- физика твердого тела,
- физика жидкостей.
Мы с вами начинаем изучать основы молекулярно-кинетической теории, прежде всего, а потом и остальные разделы молекулярной физики. И так мы начинаем изучение молекулярной физики с молекулярно-кинетической теории.
И так...механика - это замечательный раздел физики, которая позволяет определить положение тела в любой момент времени и с очень большой точностью, если это тело не движется со скоростью близкой к скорости света. Сейчас мы это умеем сделать, а если мы будем знать теорию относительности, то мы сможем решить задачу и для больших скоростей. Но к сожалению механика не может ответить на вопрос, почему движущееся тело может быть жидким или может быть твердым. Чем отличается жидкость от твердых тел, чем отличается жидкость от газов, почему газ при охлаждении может стать жидкостью, а жидкость при охлаждении становится твердым телом, чем вообще отличается горячее тело от холодного, хотя выглядят они одинаково? На все эти вопросы механика не отвечает. Она не ставит это своей задачей...Что мы изучаем в механике? Тело... Точнее мы изучаем модель, какие-то упрощенные представления о строении тела. Какая в механике самая популярная модель? Чем мы обычно считаем тело? Тело в механике мы обычно считаем материальной точкой, кроме массы для характеристики поступательного движения нам не нужно. Если это вращательное движение, то там еще появляется момент инерции. И все. Это модель - это упрощенное представление о системе. Но система у нас, например, состоит из нескольких материальных точек, которые взаимодействуют между собой. И мы можем найти силу взаимодействия этих материальных точек, например, пользуясь законом всемирного тяготения. А в случае если нам надо ответить на вопрос, чем отличается горячее тело от холодного. Почему тела бывают твердые, а почему бывают жидкие и тут уже нужно строить модель, которая описывает тело по-другому. Теперь системой у нас будет не несколько тел, а само тело и модель должна предполагать какие-то факты о том, что находится в этой системе и из чего она состоит и как части этой системы друг с другом взаимодействуют. И давайте рассуждать так...допустим у нас есть стакан воды. Что у нас с стакане? Вода...А если мы пол стакана отольем, то что у нас в стакане будет? Вода...А что если мы пипеткой наберем одну каплю, то что у нас будет в этой капле? Вода... А если мы возьмем не каплю, набранную пипеткой, а мельчайшую каплю тумана диаметром 1 мкм, что тогда у нас будет в этой капле? Тоже вода... Т.е получается, что воду можно дробить на части и она все время будет оставаться водой, но мы еще с начала наших лекций знаем, что такой предел дробления существует и на каком-то этапе такого дробления получится так, что у нас была какая-то частичка воды, мы ее разбили на части и вода перестала быть водой. Во что она превратиться? Она превратится в два атома кислорода и один атом водорода. Т.е существует мельчайшая частица вещества, которая делает это вещество определенным веществом или, как говорят, сохраняет физические свойства этого вещества. Как называется такая мельчайшая частица? Такая частица называется молекулой. И давайте запишем определение того, что называется молекулой. И так...
Молекула - это мельчайшая частица вещества сохраняющая его химические свойства.
А теперь давайте ответим на вопрос. А молекула сохраняет физические свойства вещества? Может ли быть, например, одна и та же вода с разными физическими свойствами, например, разной текучестью, разной твердостью...Как называется вода, которая холоднее нуля по шкале Цельсия? Лед... Из чего состоит лед? Лед состоит из молекул воды. Вода при температуре от нуля до ста градусов Цельсия и нормальной атмосферном давлении - это жидкость. Жидкость состоит из тех же молекул, что и лед. И водяной пар обладает совершенно другими физическими свойствами, но это все-таки вода. Т.е молекула сохраняет химические, но не сохраняет физические свойства вещества. Хорошо...Дальше...Что такое представление о молекуле? Это модель. И вот эта модель лежит в основе молекулярно-кинетической теории. А что значит кинетическая? Какова этимология этого слова? Что такое кино? Кино - это движущаяся фотография. Кинетическая энергия - это энергия движения. Молекулярно-кинетическая теория подразумевает уже в самом своем названии, что речь идет не только о том, что веществ состоят из молекул, но и что молекулы эти движутся. И необходимо решить как они движутся. Кроме того, судя по тому, что вещество может быть в разных агрегатных состояниях молекулы еще как-то друг за дружку держаться, если, например, это молекулы льда или воды. Вода не позволяет себя сжать. Т.е при попытки уменьшить объем воды возникают силы отталкивания. А как называется одним словом тот факт, что между молекулами может существовать притяжение или отталкивание. Как ведут себя молекулы при притяжении и отталкивании? Молекулы между собой взаимодействуют и этот факт нам тоже понадобится для того, чтобы построить молекулярно-кинетическую теорию. Какова задача молекулярно-кинетической теории? Задача молекулярно-кинетической теории объяснить свойства тел. На основании того, что во-первых они состоят из молекул, во-вторых, что эти молекулы как-то там движутся и в третьих, что эти молекулы взаимодействуют. Вот это три кита...И этих трех китов называют основные положения молекулярно-кинетической теории. Давайте их запишем. Три основных положения молекулярно-кинетической теории:
- все вещества состоят из молекул,
- все молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения,
- молекулы взаимодействуют друг с другом.
Ну а раз мы эти положения принимаем, то опираясь на них мы должны будет объяснить свойства тел: жидких, твердых, газообразных. Чем отличается холодное от горячего, почему происходит плавление и т.д и т.п. Но чтобы этим положениям можно было доверять нужно убедиться в том, что они на самом деле правильные. Т.е нужны какие-то экспериментальные доказательства справедливости утверждения этих положений. И на этой лекции мы с вами и поговорим. Давайте зададим себе следующий вопрос. Как доказать, что вещество состоит из молекул - частиц, которые хранят химические свойства вещества? На самом деле доказать - это самое трудное. Еще в начале XX века многие ученые не верили в то, что вещества состоят из молекул. Хотя, к тому времени уже научились определять массу и размеры молекул. В начальных лекция по изучению физики доказательства того, что вещества состоят из молекул были очень примитивными, но сегодня наша экспериментальная техника позволяет увидеть отдельные атомы и отдельные молекулы. Увидеть естественно не вооруженным глазом, а на экране компьютера или на экране устройства, которое называется электронным микроскоп и более современные устройства, которые дают гораздо большее увеличение и с которым мы познакомимся на этой лекции. И это устройство - это растровый туннельный микроскоп. Это устройство было изобретено в 1981 году двумя, сотрудниками Швейцарского отделения фирмы IBM Джердом Биннигом и Генрихом Рорером. Идея, лежащая в основе растрового-туннельного микроскопа очень простая. Но тем не менее за ее реализацию в 1986 году эти ученые получили Нобелевскую премию.
Растровый...Что это значит? Растр - это, например, то что строится на экране монитора, когда строчка за строчкой поточечно образуется изображение. Мы знаем, что, например, размер экрана может составлять 720 на 1280 точек. Это означает, что в изображении 720 строк и в каждой строке 1280 точек, которые это изображение формируют. Это называется растр. И растровый микроскоп строит изображение поточечно.
Теперь туннельный что это такое? Есть такой туннельный эффект. Он не объясняется классической физикой - это явление квантово-механическое и смысл его состоит в следующем: если мы возьмем два проводника, может быть проводник и полупроводник или два полупроводника, т.е любые два тела в которых есть носители заряда и сблизим их на расстояние порядка нанометров, то если между ними приложить напряжение, порядка нескольких вольт, то электроны из одного тела - проводника "выскочать" из одного проводника в другой проводник и при этом потечет ток. Почему этот эффект так странно называется - туннельный? А ведь дело в том, что в проводнике электрического поля нет и мы об этом знаем. Внутри проводника электростатическое поле существовать не может. Откуда же тогда электроны в проводнике "знают", что рядом находится другой проводник под напряжением? Получается, что электроны из одного проводника перескакивают в другой как бы по туннелю. Классическая физика - это не объясняет, но важен факт. Если сблизить на очень маленькое расстояние два проводника, то между ними возможен ток, хотя, они при этом не соприкасаются, но расстояние между ними крошечное нанометры и доли нанометров. И когда это расстояние меняется, например, на одну десятую нанометра величина тока в таком зазоре может меняться в разы. Т.е получается, что, в принципе, можно построить устройство, которое способно регистрировать перемещение в доли нанометров и вот этот факт используется в растровом туннельном микроскопе.
И так первое положение молекулярно-кинетической теории доказано, теперь переходим ко второму положению: молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения. Что мы говорили о доказательстве этого положения на более ранних лекция? Какое явление мы при этом упоминали? Взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества, и такой процесс называется диффузией. Существует диффузия в газах в твердых телах, существует диффузия в жидкостях. Быстрее всего происходит диффузия в газах и о чем это говорит? Это говорит о том, что расстояние между молекулами газа больше, чем расстояние между молекулами жидкости. И это понятно, ведь мы знаем, что когда вода испаряется, то объем пара гораздо больше, чем объем жидкости. А в твердых телах диффузия происходит очень медленно, даже по сравнению с диффузией в жидкости. Почему? Расстояние между молекулами там примерно одно и то же. Подсказкой могут служить те снимки, которые были приведены в ролике об устройстве растрового туннельного микроскопа. На снимках видно, как атомы стройными рядами образуют кристаллическую решетку, они не могут двигаться относительно друг друга, они могут только колебаться и поэтому проникнуть другому атому в промежуток между другими атомами очень трудно. А если атомы попадут, то это уже будет нарушением кристаллической структуры, поэтому диффузия в твердых телах идет годами, в жидкостях идет сутками, а в газах идет в течении минут. Примеры диффузии - это распространение запахов. самопроизвольное перемешивание жидкостей и т.д. Если говорить о бытовом уровне применения диффузии, то засолка огурцов это ни что иное как процесс диффузии соли внутрь огурца. А сейчас мы поговорим о более интересном явлении, которое позволяет не только доказать существование хаотического движения молекул, но и в конечном счете доказать, что оно действительно хаотическое и более того определить удалось изучая, то явление о котором мы сейчас будем говорить - это удалось определить массу молекулы. Речь идет о так называемом Броуновском движении. Что это за движение почему оно так называется?
В 1828 году ботаник, которого звали Роберт Броун взял пыльцу какого-то растения, размешал его в воде и эту взвесь начал рассматривать под микроскопом...Пыльца - это растение или животное? Вот бактерия, например, какая-нибудь инфузория туфелька она может двигаться в воде, потому что у нее есть реснички, у амебы есть ложноножки, которые ей позволяют передвигаться. А частица пыльцы - это, просто, маленькое тельце, у которого нет никаких колеблющихся ресничек. И вот Броун увидел совершенно не понятную вещь. Маленькая деталь растения, частичка пыльцы в воде совершает хаотическое движение, как живая. Броун даже начал думать, а может пыльца - это то-то вроде бактерии? Но потом оказалось, что к жизни и к живой природе это Броуновское движение никакого отношения не имеет. Был такой случай...нашли какой-то минерал - кварц и в этом минерале находилась миллионы лет капелька воды каким-то образом застывшая и в этой капельке была какая-то муть какие-то маленькие частички грязи и понятно, что это точно не живое, так как за миллионы лет оно бы не выжило. И когда посмотрели под микроскопом на эти маленькие частички, которые там находились во взвешенном состоянии в этой капле воды, то оказалось, что они движутся точно так же как и частички пыльцы. Т.е это явление не связано с биологией - это явление физическое. Давайте посмотрим как ведет себя Броуновская частица. Т.е такая мельчайшая частица взвешенная в жидкости...Давайте посмотрим как она себя может вести...
На этом мы эту лекцию закончим