Молекулярна фізика
Загальні відомості про молекулярну фізику
Якщо ви думаєте, що молекулярна фізика, це наука про будову та властивості молекул, то помиляєтесь. Молекулярна фізика не вивчає молекули. Вона вивчає загальні властивості твердих, рідких і газоподібних речовин та ті теплові процеси, які відбуваються з цими речовинами. Іншими словами, предметом вивчення молекулярної фізики є речовини та різноманіття тих теплових процесів які відбуваються з ними.
Визначаючи термін «речовина», перш за все зазначають, що речовина – це вид матерії. По суті це означає, що речовини реально існують і так чи інакше проявляють себе. Адже матерія (матеріальне) – це те, що реально існує і так чи інакше проявляє себе, тобто є таким, факт існування якого можна експериментально підтвердити.
Загалом, все різноманіття матеріальних об’єктів Природи розділяють на дві групи: речовини та поля. Про властивості та прояви полів ми поговоримо в розділі «Електродинаміка». Наразі ж зауважимо, що речовина – це вид матерії який складається з тих чи інших частинок і має масу (масу спокою). В загальному сенсі речовинами є не лише хімічно прості об’єкти, як то залізо, вода, сіль, вапно чи нітрат амонію і не лише хімічно складні полімери, а й об’єкти органічного походження як то деревина, шкіра, бавовна, а з рештою і самі живі структури. Втім, в фізиці ми будемо вивчати загальні властивості лише тих хімічно простих речовин які складаються з атомів, молекул та іонів або їх сумішей.
Ви можете запитати: “А чому наука про загальні властивості речовин, називається молекулярною фізикою?” Відповідь на це слушне запитання очевидно проста. В молекулярній фізиці, властивості твердих, рідких та газоподібних речовин та ті теплові процеси, які з ними відбуваються, пояснюють виходячи з того, що ці речовини складаються з надзвичайно дрібних частинок, які прийнято називати молекулами. Звичайно, хімічно прості речовини можуть складатись не лише з молекул, а й з атомів, іонів або певної суміші цих частинок. Однак, в межах молекулярної фізики, ми без нагальної потреби не будемо заглиблюватись в подробиці внутрішнього устрою тих структурних одиниць з яких складається та чи інша конкретна речовина. Ми будемо виходити з того, що всі речовини складаються з надзвичайно дрібних, невидимих частинок. І давайте домовимось, називати ці частинки молекулами.
Про те, що тіла складаються з дрібних, невидимих частинок, люди здогадувались дуже давно. Ще за 400 років до нашої ери, давньогрецький філософ Демокрит стверджував, що всі тіла складаються з надзвичайно дрібненьких, неподільних частинок, які були названі атомами, що в буквальному перекладі означає “неподільний” (від грец. atomos – неподільний). Однак, гіпотезі про молекулярну (атомарну) будову речовини, доля приготувала складний та тернистий шлях. Шлях довжиною в понад два тисячоліття. Лише в 1908 році ця гіпотеза стала безумовно доведеною науковою теорією. Та як би там не було, а сьогодні ми точно знаємо, що всі тіла складаються з молекул (молекул, атомів, іонів), які безперервно рухаються і певним чином взаємодіють між собою. Власне ці знання і лежать в основі тієї науки яка називається молекулярною фізикою.
Починаючи вивчення молекулярної фізики ми маємо усвідомлювати складність того завдання що стоїть перед нами. А ця складність полягає в тому, що будь яке реальне тіло складається з неймовірно величезної кількості наддрібних частинок, які безладно рухаються та складним чином взаємодіють між собою. Скажімо, в одному літрі повітря міститься 2,7·1022 молекул. Навіть якщо виходити з того, що молекули повітря ідеально однакові, ідеально круглі, ідеально пружні і такі що повністю підпорядковуються законам ньютонівської механіки, то навіть в цьому випадку, для кількісного описання поведінки цих молекул, потрібно розв’язати систему що найменше з 2,7·1022 рівнянь. Задача, прямо скажемо безнадійна. Вона тим більше безнадійна, якщо врахувати факт того, що насправді молекули повітря не надто схожі одна на одну, не ідеально круглі, не ідеально пружні і не в точності підпорядковуються законам ньютонівської механіки.
Зважаючи на вище сказане, ми з самого початку відмовимось від будь яких спроб кількісно описати поведінку кожної окремо взятої молекули. Натомість, застосуємо так званий статистичний метод досліджень. Суть цього методу полягає в тому, що поведінку складної системи, описують на основі відомих законів механіки та статистично усереднених параметрів окремих елементів цієї системи. Наприклад, ми не можемо точно визначити миттєві значення швидкості, імпульсу та енергії довільно обраної молекули в довільно вибраний момент часу. Натомість, ми абсолютно точно можемо говорити про статистично усереднені значення цих величин. При цьому, знаючи ці усереднені значення та застосовуючи відомі закони ньютонівської механіки, можна достатньо точно описати загальну поведінку системи.
Такий підхід є тим більш обгрунтованим, якщо врахувати факт того, що наші органи відчуттів реагують не на поведінку окремо взятої молекули, а на усереднену результуючу їх загальної поведінки. А це означає, що досліджуючи, описуючи та пояснюючи властивості навколишнього світу, зовсім не обов’язково знати поведінку кожної окремо взятої молекули. Достатньо знати усереднену поведінку середньостатистичної молекули. Власне на основі знань про цю поведінку, в молекулярній фізиці і пояснюються загальні властивості твердих, рідких і газоподібних речовин та все різноманіття тих теплових процесів які відбуваються з ними.
Таким чином:
Молекулярна фізика – це розділ фізики, в якому вивчаються загальні властивості твердих, рідких та газоподібних речовин та ті теплові процеси які відбуваються з ними.
Речовинами називають такі матеріальні об’єкти, які складаються з тих чи інших частинок (атомів, молекул, іонів, тощо) та мають масу спокою.
Теоретичною основою молекулярної фізики є три твердження, які називаються основними положеннями молекулярно – кінетичної теорії і суть яких полягає в наступному:
1.Всі речовини складаються з молекул (молекул, атомів, іонів).
2.Молекули в речовині безперервно і безладно рухаються.
3.На невеликих відстанях, молекули взаємодіють між собою.
Методологічною основою молекулярної фізики є статистичний метод досліджень, суть якого полягає в тому, що поведінку і властивості надскладної системи молекул, описують на основі законів ньютонівської механіки та статистично усереднених характеристик цих молекул.