Молекулярні сили - студопедія 1

Безліч досвідчених фактів приводять до висновку, що між молекулами речовини, що знаходиться в будь-якому агрегатному стані, діють одночасно як сили тяжіння, так і сили отталкі-вання. Так, наприклад, здатність твердих тіл чинити опору ростягненню свідчить про наявність сил тяжіння між молекулами; існування ж сил відштовхування пояснює малу стисливість твердих і рідких тіл, а також сильно ущільнених га-зов. Дуже важливо, що ці сили повинні діяти одночасно. В іншому випадку тіло не було б стійко: утворюють його мо-лекул розліталися б у різні боки (при наявності тільки сил відштовхування), створюючи наднизькі щільності речовини, або "слі-палісь" б в занадто щільні агрегати (при існуванні тільки сил тяжіння).

Розрахунок сил взаємодії між молекулами і з'ясування природи цих сил можливо тільки в рамках квантової механіки. Однак ха-характерних, якісний вид молекулярних сил можна отримати, осту-ваясь в межах найзагальніших класичних уявлень.

Сили, що діють між молекулами, за своєю природою являють-ся силами електромагнітного походження. Молекула складається з позитивно заряджених ядер атомів, складових молекулу, і від-ріцательно заряджених електронних оболонок атомів. Тому при взаємодій молекул одночасно діють як сили тяжіння їх різнойменних зарядів, так і сили відштовхування однойменних. І ті й інші зі збільшенням відстані між молекулами швидко уменьша-ються. Однак спадання сил відштовхування має бути швидшим, ніж сил тяжіння, в результаті чого сили відштовхування будуть пре-мати на малих відстанях між молекулами, а сили тяжіння - на більш далеких відстанях. Останнє твердження випливає з необхідності існування стійкої рівноваги взаємодію-щих молекул. Справді, припустимо, що дві взаємодіючі молекули знаходяться в рівновазі, тобто сума сил, що діють на кожну молекулу дорівнює нулю. На рис.1, а зображені такі дві молі-кули, що знаходяться на такій відстані, що сили відштовхування F1 врівноважують сили взаємного тяжіння F2. Нехай відстань між молекулами зменшилася (рис.1, б). Якщо при цьому сили відштовхування зростають швидше, ніж сили тяжіння, то F1 буде більше F2. і молекули будуть відштовхуватися назад до положень рівноваги. Якщо ж відстань між ними буде більше рівноважної-го (рис.1, в) і F1 стане менше F2. то молекули знову будуть прагнути до стану рівноваги.

Таким чином, доведено, що з точки зору стійкості сили відштовхування повинні швидше спадати із збільшенням відстані, ніж сили тяжіння. На відстанях між молекулами значно більшу їх діаметра (ріс1, г) молекули практично не взаємодій-обхідних, так як обертаються навколо ядер електрони повністю когось пенсирующие заряди цих ядер і молекули в цілому нейтральні. При зближенні молекул (рис.1, д) починає поступово проявлятися взаи-модействие електричних зарядів ядер і електронних оболонок молекул. Це відбувається через тяжіння різнойменних і відштовхування одне-іменних зарядів. В результаті виникне невелика деформація (по-ляризации) обох взаємодіючих молекул, як це умовно поки-зано на рис 1, д. Як наслідок між молекулами виникнуть сили тяжіння. При подальшому зближенні поляризація молекул і вели-чину сил тяжіння будуть рости. Якщо молекули зблизяться настільки, що їх електронні хмари почнуть помітно проникати один в одного, то електрони і ядра різних молекул будуть різко розмерзнеться-киває з силою, яка дуже швидко зростає зі зменшенням відстані між молекулами. На таких відстанях будуть переважати сили відштовхування (рис.1, е).

Абсолютна величина сил взаємодії істотно залежить від конкретного будови молекул. Крім того, для несферичних молекул сили електричного взаємодії залежать, очевидно, не тільки від відстані між молекулами, а й від взаємної орієнтації молекул. Однак загальний характер залежності сили взаємодії від відстані однаковий: переважання сил тяжіння на великих відстанях і отталкі-вання на малих.

На рис.2 наведено характерні залежності сил відштовхування, які в фізиці є позитивними (F1> 0), і сил тяжіння (F2 <0 ) от расстояния r между молекулами. Как отмечалось, эти силы дей-ствуют одновременно. Поэтому для нахождения результирующей силы взаимодействия между молекулами необходимо сложить ординаты положительной и быстро падающей силы отталкивания F1 с отрицательными ординатами медленно растущей силы притяжения F2 .

Результуюча функція F = F1 + F2 представлена ​​на тому ж малюнку суцільною лінією. Як видно, на відстанях rr0 переважають сили тяжіння. При r = r0 ці сили рівні, тобто r0 - це те рівноважний відстань між молекулами, на якому вони перебували б за відсутності теп-лового руху, що порушує цю рівновагу.

В молекулярної фізики оперують з силами, а з потенціалом-ними енергіями взаємодій. Щоб здійснити перехід від сил до потенційних енергій, розглянемо роботу, що здійснюються результи-рующей силою F при зміні відстані між молекулами на dr:

Ця робота здійснюється за рахунок зменшення потенційної енергії взаємодії молекул:

З виразів (в.11) і (В.12)

Інтегруючи співвідношення (В.13) по r від r до нескінченності,

Потенційну енергію вважають рівною нулю при нескінченно великій відстані між молекулами, тобто . тоді

З останнього співвідношення видно, що потенційна енергія Ep (r) взаємодії молекул, що знаходяться на відстані r один від одного, чисельно дорівнює площі, обмеженої кривою результуючої сили F (r). віссю r і вертикальної прямої r = const. Залежність величини цієї площі (тобто Ep (r)) від r показана на рис.3.

З малюнка видно, що при переміщенні деякої молекули 1 з нескінченності до молекули 2, яка розташована на початку коорди-нат, потенційна енергія їх взаємодії убуває від нуля до Ep0. На цій ділянці переміщення, тобто від r = ∞ до r = r0. на молекулу 1 діє сила тяжіння, яка збільшує її скороcть (кінетичну енергію). При подальшому зближенні молекул (на ділянці, де r