Молекулярна фізика вивчає фізичні властивості речовини в різних агрегатних станах — твердому, рідкому та газоподібному — у зв’язку з її будовою, міжмолекулярною взаємодією та особливостями руху молекул.

Відповідно до молекулярно-кінетичних уявлень будь-яке тіло — тверде, рідке або газоподібне — складається з великої кількості дуже малих частинок — молекул *. Молекули будь-якої речовини перебувають у безладному, хаотичному русі, в якому не можна виділити переважного напряму, а інтенсивність його залежить від температури речовини.

Безпосереднім доказом існування хаотичного руху молекул є броунівський рух. Це явище полягає в тому, що дуже малі (їх можна спостерігати лише за допомогою мікроскопа) завислі в рідині частинки завжди перебувають у стані безперервного, безладного руху, який не залежить від зовнішніх причин, а є проявом внутрішнього руху частинок, з яких складається речовина. Броунівські частинки рухаються під впливом безладних зіткнень з молекулами речовини.

Молекулярно-кінетична теорія має на меті пояснити властивості тіл, що безпосередньо спостерігаються на досліді (тиск, температуру тощо), як сумарний ефект дії молекул. Для цього вона використовує статистичний метод, розглядаючи не рух окремих молекул, а лише деякі усереднені величини, які характеризують рух великої сукупності частинок.

Молекулярна фізика розглядає явища, які є результатом сукупності дії багатьох частинок. Ці явища, в яких бере участь величезна кількість частинок, підлягають законам великих чисел, або законам статистики.

Сукупність великої кількості молекул має властивості, яких не має кожна молекула окремо. Такими властивостями сукупності є, наприклад, тиск, температура, теплопровідність, в’язкість тощо. Тому рух такої сукупності молекул є вже новою, що якісно відрізняється від механічної, формою руху матерії, хоча рух кожної молекули окремо підлягає законам механіки. Виникнення у сукупності молекул нових властивостей, яких немає в окремих молекулах, є одним з конкретних проявів положення діалектичного матеріалізму про виникнення нової властивості внаслідок кількісних змін.

Існує певний якісний і кількісний зв’язок між властивостями сукупності молекул і середніми значеннями тих фізичних властивостей, які характеризують поведінку та властивості кожної молекули окремо. Наприклад, температура газу зв’язана із середнім значенням кінетичної енергії молекули. Для встановлення цього зв’язку не потрібно точно знати положення або швидкість кожної окремої молекули, а досить знати ймовірні значення їх.

Статистика оперує середніми значеннями тих фізичних величин, які характеризують поведінку і властивості кожної окремої молекули. Тому ні напрям руху, ні швидкість окремої молекули, ні концентрація їх у кожному малому об’ємі тепер не відіграють істотної ролі, а важливі тільки середні значення цих величин. Уведення середніх значень величин у молекулярній фізиці зумовлене не лише тим, що ми не можемо стежити за рухом кожної молекули окремо через велику кількість їх, а й тим, що сукупність величезної кількості молекул має нові властивості, яких немає в кожної молекули окремо, і підлягає новим статистичним законам.

Категорії ймовірності відіграють у науці всезростаючу роль і тісно пов’язані з пізнанням внутрішніх властивостей, з розкриттям внутрішньої структури відносно елементарних об’єктів. Динамічні закони діють тільки там, де можна не враховувати внутрішню структуру об’єктів. Урахування структури, аналіз багатьох фізичних властивостей неодмінно пов’язані з уведенням ймовірностей і застосуванням імовірнісних методів. Статистичні закони виражають об’єктивну необхідність у її нерозривному зв’язку з випадковістю, вони не нехтують випадковістю, а розглядають її як форму виявлення необхідності.

Звертаючись до історії розвитку молекулярно-кінетичних уявлень, слід насамперед зазначити, що уявлення про атомістичну будову речовини були висловлені ще стародавніми греками. Вони стверджували, що основою всіх речей є матерія, розуміючи під нею речовину.

Фалес уявляв матерію як нескінченний прояв основної речовини — води. Анаксімен за єдину матеріальну першооснову брав повітря. Основоположник старогрецької діалектики Геракліт пішов далі Фалеса та Анаксімена. Він стверджував, що світ єдиний із всього не створений ніким із богів і ніким із людей, а був, є і буде вічно живим вогнем, який закономірно спалахує і закономірно згасає.

За Гераклітом, вогонь є першоосновою, рухомою силою. Грецькі філософи Левкіпп (V ст. до н. е.), Демокріт (бл. 460—370 до н. е.) та Епікур (341—270 до н. е.) були впевнені в існуванні межі подільності матерії. З надзвичайною переконливістю, з поетичним пафосом вчення атомістів викладено у філософській поемі Лукреція Кара (бл. 96—55 до н. е.) під назвою «Про природу речей», що дійшла до наших днів. У грецьких філософів атоми неподільні в геометричному і механічному розумінні. Саме слово «атом» грецького походження і означає «неподільний». Взаємодію між атомами філософи-атомісти зводили до суто механічної, наділяючи атоми спеціальним механічним пристроєм, щоб забезпечити їм можливість зчеплення.

У XVIII — XIX ст. вчені вважали, що існує спеціальний вид сил, так звані сили хімічної «спорідненості», внаслідок яких відбувається взаємодія між атомами і молекулами речовини. Тоді був поширений метод з’ясування нового явища введенням спеціальних сил.

Вагомий внесок у розвиток атомно-молекулярних уявлень зробив М. В. Ломоносов (1711—1765). Він піднявся до розуміння закону збереження матерії і руху як єдиного і загального закону природи, чим випередив розвиток фізики більш як на півтораста років. М. В. Ломоносов є основоположником молекулярно-кінетичної теорії, він розкрив природу теплоти, зв’язаної з рухом частинок тіла, та взаємну перетворюваність теплової і механічної форм руху.

Велике значення для науки в цілому і для атомістичної теорії зокрема мало відкриття 1869 р. періодичного закону Д. І. Менделєєвим, за допомогою якого він установив періодичну залежність властивостей простих тіл і сполук елементів від атомних мас елементів. На підставі цього закону Д. І. Менделєєв дійшов висновку, що кількість елементів обмежена, періодичність елементів є законом природи, передбачив існування ряду елементів та їхні властивості. Ці далекосяжні теоретичні передбачення дали змогу на досліді перевірити закон, на багато років уперед вказати шлях розвитку не тільки хімії, а й фізики. До Д. І. Менделєєва хімічні елементи розглядались ізольовано, поза зв’язком між ними, поза розвитком їх, тому спроби систематизації елементів не давали істотних наслідків. Відкриття Д. І. Менделєєва було не тільки науковим, а й філософським узагальненням. Періодичний закон є одним із наочних проявів діалектичного закону виникнення нової властивості в результаті кількісних змін.

Отже, у XIX ст. молекулярні уявлення закріпились у науці остаточно. Визнання реального існування атомів було покладено в основу молекулярно-кінетичної теорії газів Дж. Максвеллом, Л. Больцманом, М. М. Пироговим та іншими фізиками, які спирались у своїх наукових дослідженнях на матеріалістичні уявлення про навколишній світ.

На основі досліджень багатьох учених у ХХ ст. було створено теорію будови речовини, так звану молекулярно-кінетичну теорію.

Молекулярно-кінетичною теорією (МКТ) називають теорію, яка пояснює будову та властивості тіл на основі закономірностей руху та взаємодії атомів і молекул.

Ця теорія прагне пов’язати характеристики руху та взаємодії окремих атомів і молекул з величинами, які описують властивості макротіл.

В основу молекулярно-кінетичної теорії речовини покладено три положення, сучасне формулювання яких таке:

1. Будь-які речовини мають дискретну (переривчасту) будову. Вони складаються з найдрібніших частинок – молекул або атомів (йонів).

2. Молекули перебувають у стані безперервного хаотичного (невпорядкованого) руху. Цей рух називається тепловим і в загальному випадку є сукупністю поступального, обертального та коливального рухів.

3. Молекули взаємодіють одна з одною силами притягання й відштовхування. Природа цих сил – електромагнітна.

Дослідне підтвердження основних положень МКТ

В одному молі будь­якої речовини міститься однакова кількість атомів або молекул, – стільки, скільки атомів Карбону міститься у вуглеці масою 12 г. Це число має назву стала Авоґадро  NA=6,02∙1023моль-1 

Європейська комісія рекомендувала вживати префікс «нано-» стосовно матеріалів (природного та штучного походження), які містять частинки у вільному вигляді, у вигляді груп або агломератів (коли частинки пов’язані певним стороннім матеріалом), як мінімум 50 відсотків з яких має один із лінійних розмірів у межах від 1 до 100 нанометрів.

В конкретних випадках, коли йдеться про здоров’я, довкілля або конкурентоспроможність, частка частинок із розмірами від 1 до 100 нанометрів може бути в межах від 1 до 50 відсотків.

Наголошується також, що фулерени, графенові пластівці та вуглецеві нанотрубки, в яких один із вимірів може бути менше нанометра (наприклад, товщина листа графена – один атом вуглецю, радіус якої дорівнює 91 пікометру), також належать до наноматеріалів.

Дифузія

Опис

Змішайте два гази для дослідження дифузії! Експериментуйте з концентрацією, температурою, масою та радіусом та визначте, як ці фактори впливають на швидкість дифузії.

Навчальні цілі

• Поясніть, як змішуються два гази.

• Розробіть експеримент, щоб знайти фактори, які впливають на швидкість дифузії.

Гази. Вступ

Опис

Накачайте молекули газу в резервуар і подивіться, що відбувається, коли ви змінюєте об'єм, додаєте або видаляєте тепло та інше. Виміряйте температуру і тиск і дізнайтеся, як змінюються властивості газу.

Навчальні цілі

• Опишіть поведінку газових частинок у резервуарі.

• Визначте залежність між тиском, об'ємом, температурою та кількістю молекул газу.

• Опишіть взаємозв’язок між зіткненням частинок-стінка та тиском.

• Прогнозуйте, як зміна температури вплине на швидкість молекул.