Теорията на Дж. Далтън
Първото наистина научно обосноваване на атомната теория, което убедително демонстрира рационалността и простотата на хипотезата, че всеки химичен елемент се състои от малки частици, е дело на англ. учител в училищематематик Дж. Далтън (1766-1844), чиято статия, посветена на този проблем, се появява през 1803 г. Атомните постулати на Далтън имат предимството пред абстрактните разсъждения на древногръцките атомисти, че неговите закони правят възможно обяснението и свързването на резултатите от реални експерименти , както и прогнозиране на резултатите нови експерименти. Той постулира, че: 1) всички атоми на един и същи елемент са идентични във всички отношения, по-специално техните маси са еднакви; 2) атомите на различни елементи имат различни свойства, по-специално техните маси са различни; 3) съединението, за разлика от елемента, съдържа определено цяло число атоми на всеки от неговите съставни елементи; 4) при химични реакции може да възникне преразпределение на атомите, но нито един атом не се унищожава или създава отново. (Всъщност, както се оказа в началото на 20 век, тези постулати не са стриктно изпълнени, тъй като атомите на един и същи елемент могат да имат различни маси, например водородът има три такива разновидности, наречени изотопи; в допълнение, атомите може да претърпи радиоактивни трансформации и дори напълно да се срине, но не и в химичните реакции, разглеждани от Далтън.) Въз основа на тези четири постулата, атомната теория на Далтън предоставя най-простото обяснение на законите на постоянните и множествените съотношения. Той обаче не дава никаква представа за структурата на самия атом.
Брауново движение
Шотландският ботаник Робърт Браун провежда изследване на цветен прашец през 1827 г. Той се интересуваше особено от това как прашецът участва в процеса на оплождане. Веднъж той погледна под микроскоп удължени цитоплазмени зърна, изолирани от поленови клетки, суспендирани във вода. Изведнъж Браун видя, че най-малките твърди зърна, които едва се виждаха в капка вода, непрекъснато трептят и се местят от място на място. Той установи, че тези движения, по думите му, „не са свързани нито с потоци в течността, нито с нейното постепенно изпаряване, а са присъщи на самите частици“. Явлението, наблюдавано от Браун, се нарича „брауново движение“. Обяснението на Брауновото движение с движението на невидими молекули е дадено едва през последната четвърт на 19 век, но не е прието веднага от всички учени. През 1863 г. учителят по дескриптивна геометрия Лудвиг Кристиан Винер (1826-1896) предполага, че явлението е свързано с осцилаторните движения на невидимите частици.
Откриване на електрона
Реалното съществуване на молекулите е окончателно потвърдено през 1906 г. от експерименти, изучаващи законите на Брауновото движение от френския физик Жан Перин.
През периода, когато Перин извършва своите изследвания върху катода и рентгенови лъчи, все още не е постигнат консенсус относно природата на катодните лъчи, излъчвани от отрицателния електрод (катод) във вакуумна тръба по време на електрически разряд. Някои учени смятат, че тези лъчи са вид светлинно излъчване, но през 1895 г. изследването на Перин показва, че те са поток от отрицателно заредени частици. Атомната теория твърди, че елементите са изградени от отделни частици, наречени атоми и това химични съединениясе състои от молекули, по-големи частици, съдържащи два или повече атома. ДА СЕ края на 19 век V. атомната теория стана широко приета сред учените, особено сред химиците. Някои физици обаче смятат, че атомите и молекулите не са нищо повече от фиктивни обекти, които се въвеждат от съображения за удобство и са полезни при числената обработка на резултатите химична реакция.
Джоузеф Джон Томсън, модифицирайки експеримента на Перин, потвърждава неговите заключения и през 1897 г. определя най-важната характеристикана тези частици чрез измерване на съотношението им на заряд към маса от отклонението в електрическите и магнитните полета. Масата се оказа приблизително 2 хиляди пъти по-малка от масата на водородния атом, най-лекият сред всички атоми. Скоро започна да се разпространява вярването, че тези отрицателни частици, наречени електрони, са компонентатоми.
Ориз. 8. Брауново движение
Атомно-молекулярната наука беше от голямо значение за химията, която благодарение на нея започна да се развива бързо и за кратко време постигна блестящ успех.
Но в края на 19-ти век, когато това учение вече е дало толкова много ценни резултати, възниква реакционно движение, което фундаментално отрича самото съществуване на атоми и молекули. Под влияние на идеалистичната философия в Германия се появява така наречената „енергийна“ школа на химиците, оглавявана от известния учен Оствалд, чиито теоретични възгледи се основават на абстрактната концепция за енергията, несвързана с материята. Привържениците на тази школа смятат, че всички външни явления могат да бъдат обяснени като процеси между енергиите и категорично отхвърлят съществуването на атомите и молекулите като частици, недостъпни за прякото сетивно възприятие.
Енергийната доктрина на Оствалд беше една от разновидностите на идеалистичните философски движения, насочени къмсрещу материализма в науката. Чрез отделянето на енергията, т.е. движението от материята, позволявайки съществуването на нематериално движение, последователите на Оствалд по този начин мълчаливо признават, че нашето съзнание, мисъл, усещания съществуват независимо, като нещо първично, несвързано с материята. Те разглеждат химичните елементи не като специфични, а като различни форми на химическа енергия.
Реакционната същност на учението на Оствалд е блестящо разкрита от В. И. Ленин в неговия труд „Материализъм и емпириокритицизъм“. В гл. V от тази работа, говорейки за връзката на философския идеализъм с някои нови тенденции във физиката, Ленин се спира на „философията“ на Оствалд, доказвайки нейната непоследователност и неизбежността на нейното поражение в борбата срещу материализма.
„...опит мислядвижение без материя, пише Ленин, влачи мисъл,отделени от материята и това е философски идеализъм.”
Ленин не само напълно разкри идеалистичната основа на разсъжденията на Оствалд, но и показа вътрешните противоречия, съдържащи се в тях. Излагайки философската идея за съществуването на движение без материя, Оствалд отхвърля обективното съществуване на материята, но в същото време, като физик-химик, самият той интерпретира енергията материалистично на всяка стъпка, разчитайки на закона за запазване и трансформация на енергията. „Преобразуването на енергията – казва Ленин – се разглежда от естествознанието като обективен процес, независим от човешкото съзнание и опита на човечеството, т.е. разглежда се материалистично. И в самия Оствалд, в повечето случаи, дори вероятно в огромното мнозинство от случаите, чрез енергия, разбира се материалдвижение“.
Скоро нови невероятни открития, белязали началото на 20 век, така неопровержимо доказаха реалността на атомите и молекулите, че в крайна сметка дори Оствалд беше принуден да признае тяхното съществуване.
от експериментални изследвания, посветена на въпроса за съществуването на атоми и молекули, особен интерес представлява работата на френския физик Перин върху изследването на разпределението и движението на частиците в така наречените суспензии.
След като подготви суспензия, съдържаща частици с еднакъв размер, видими под микроскоп, Перин изследва разпределениеточастици в него. В резултат на многобройни експерименти, проведени с изключителна грижа, той доказа, че разпределението на суспензионните частици по височина точно съответства на закона за намаляване на концентрацията на газ с височина, получен от кинетичната теория на газовете. Така Перин показа, че суспензиите са истински модели на газове; Следователно отделни молекули също съществуват в газовете, но те са невидими поради малкия си размер.
Още по-убедителни бяха резултатите, получени от Перин при наблюдение на движението на суспензионните частици.
Когато се изследва капка течност със суспендирани в нея частици под силен микроскоп, може да се види, че частиците не остават в покой, но недвижейки се рязко във всякакви посоки. Движението на частиците е изключително разстроено. Ако проследите пътя на отделна частица под микроскоп, ще получите много сложна зигзагообразна линия, показваща липсата на закономерност в движението на частиците (фиг. 8). Това движение може да продължи за произволен период от време, без да отслабва или променя своя характер.
Описаното явление е открито през 1827 г. от английския ботаник Браун и е наречено Брауново движение. Обяснение обаче му е дадено едва през 60-те години на базата на молекулярно-кинетични концепции. Според това обяснение причината видимо движениесуспензионните частици е невидимото топлинно движение на течните молекули, които ги заобикалят. Ударите, получени от частиците на суспензията от всички страни от молекулите на течността, разбира се, не могат точно да се балансират взаимно; във всеки един момент балансът се нарушава в полза на една или друга посока, в резултат на което частиците извървяват свой причудлив път.
По този начин самият факт за съществуването на Брауново движение показва реалността на молекулите и дава картина на тяхното случайно движение, тъй като суспендираните частици обикновено повтарят същите движения като течните молекули. Но Перинв своите изследвания той отива още по-далеч: чрез дългосрочни наблюдения на движението на частиците под микроскоп той успява да определи средната скорост на движение на частиците. От тук, знаейки масата на частиците на приготвената суспензия, Перин изчислява тяхната средна кинетична енергия. Резултатът беше невероятен. Оказа се, че кинетичната енергия на частиците точно съответства на кинетичната енергия на газовите молекули, изчислена за същата температура въз основа на кинетичната теория. Частиците на Перин са приблизително 10 12 пъти по-тежки от водородните молекули, но кинетичната енергия и на двете е еднаква. След като тези факти бяха установени, вече не беше възможно да се отрече обективната реалност на молекулите.
В момента Брауновото движение също се разглежда като следствие топлинно движениетечни молекули и като независимо топлинно движение на суспензионните частици. Последните са като гигантски молекули, които участват в топлинно движение заедно с невидимите течни молекули. Между двете няма принципна разлика.
Експериментите на Перин не само доказаха, че молекулите наистина съществуват, но също така позволиха да се изчисли броят на молекулите в един грам молекула газ. Това число, което, както знаем, има универсално значение, се нарича числото на Авогадро. Според изчисленията на Перин се оказа приблизително 6,5 10 23, което беше много близо до стойностите на тази стойност, открити преди това с други методи. Впоследствие числото на Авогадро е определено многократно от напълно различни чрез физични методи, а резултатите винаги бяха много близки. Това съвпадение на резултатите показва правилността на намереното число и служи като неоспоримо доказателство за реалното съществуване на молекулите.
В момента се приема, че числото на Авогадро е
6,02 10 23
Колосалната величина на числото на Авогадро надхвърля нашето въображение. Някаква представа за него може да се формира само чрез сравнения.
Да приемем например, че 1 мол, т.е. 18 G,водата е равномерно разпределена по цялата повърхност на земното кълбо. Едно просто изчисление показва, че за всеки квадратен сантиметър повърхност ще има около 100 000 молекули.
Нека да дадем още едно сравнение. Да кажем, че успяхме по някакъв начин да маркираме всички молекули, съдържащи се в 18 g вода. Ако след това излеете тази вода в морето и изчакате да се смеси равномерно с всичките води на земятатопка, загребвайки чаша вода навсякъде, ще намерим в нея около 100 молекули, които сме маркирали.
Ориз. 9. Частици дим от цинков оксид при 20 000x увеличение
Тъй като грам молекула от всеки газ заема нормални условияобем 22,4 л, след това на 1 мл газът съдържа при тези условия 2,7 10 19 молекули. Ако доведем разреждането на газа във всеки съд дори до крайната граница, която най-добрите помпи могат да постигнат (приблизително до една десетмилиардна част от атмосферата), т.е., за да получим това, което практически считаме за „безвъздушно пространство“, тогава все още в 1 cm 3 от това молекулно пространство остава значителноповече от всички хора по света. От това може да се прецени колко незначителни трябва да са размерите на молекулите и атомите, ако такъв огромен брой от тях се побират в 1 cm 3.И все пак физици различни начиниизчисли тези размери. Оказва се, че ако си представите молекули под формата на малки топчета, тогава техният диаметър ще се измерва в стомилионни от сантиметъра. Например, диаметърът на една кислородна молекула е приблизително 3,2 10 -8 см,диаметър на водородна молекула 2,6 10 -8 сми диаметърът на водородния атом е 1 10 -8 см.
За да изразите такива малки количества, е много удобно да вземете стомилионна част от сантиметъра (10 -8 см). Тази единица е предложена от шведския физик Ångström за измерване на дължините на вълните на светлината и е наречена Ångström на негово име. Означава се със символа A или A. Линейните размери на атомите и молекулите обикновено се изразяват в няколко ангстрьома.
Познавайки броя на молекулите в една молекула грам и следователно броя на атомите в един грам атом, човек може да изчисли теглото на атом на всеки елемент в грамове. Например, разделяйки грам водород на числото на Авогадро, получаваме теглото на водородния атом в грамове:
ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ
РУСКА ФЕДЕРАЦИЯ
ВОРОНЕЖКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ
КАТЕДРА ПО ОНТОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ НА ПОЗНАНИЕТО
Теорията за Брауновото движение и експериментално доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули
Изпълнил: аспирант
Физически факултет
Крисилов А.В.
Воронеж 2010 г
Атомна структура на материята
Откритието на Робърт Браун
Теория на Брауновото движение
1Алберт Айншнайн - първата теория за брауновото движение
2 Мариан Смолуховски - произходът на законите на вероятността във физиката
Доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули
1Jean Baptiste Perrin - решаващи експерименти
2Теодор Сведберг - определяне на размера на протеинова молекула
Съвременната наука и брауновото движение
Литература
1.Атомна структура на материята материя Браунова молекула атом Една съществена характеристика на това, което наричаме случайност в ежедневието и в науката, може да се дефинира накратко по следния начин: малки причини - големи последствия. М. Смолуховски Добре известно е, че древните мислители многократно са предполагали дискретния характер на материята. Те стигнаха до това въз основа на философска идеяче е невъзможно да се разбере безкрайната делимост на материята и при разглеждането на все по-малки количества е необходимо да се спре някъде. За тях атомът беше последната неделима част от материята, след която нямаше какво да се търси. Съвременна физикасъщо идва от идеята за атомната структура на материята, но от нейна гледна точка атомът е нещо съвсем различно от това, което древните мислители са разбирали под тази дума. от модерни идеи, атомът, като неразделна част от материята, има много сложна структура. Истинските атоми в смисъла на древните са, от гледна точка на съвременната физика, елементарни частици, например електрони, които днес се считат (може би временно) за последните неделими съставни части на атомите и следователно на материята. Концепцията за атом е въведена през съвременна наукахимици. Изследването на химичните свойства на различни тела доведе химиците до идеята, че всички вещества са разделени на два класа: единият от тях включва сложни или съставни вещества, които чрез подходящи операции могат да бъдат разложени на повече прости вещества, към другата - по-прости вещества, които вече не могат да бъдат разградени на съставните си части. Тези прости вещества често се наричат също елементи. Според тази теория разлагането сложни веществав техните съставни елементи се състои от разкъсване на връзките, които обединяват различни атоми в молекули и разделяне на веществата на техните съставни части. Атомната хипотеза се оказа много плодотворна не само за обяснение на основни химични явления, но и за конструиране на нови физични теории. Всъщност, ако всички вещества наистина се състоят от атоми, тогава много от тях физични свойства, могат да бъдат предсказани въз основа на представа за тяхната атомна структура. Например, добре известните свойства на даден газ трябва да се обяснят чрез представянето на газа като съвкупност от изключително голям брой атоми или молекули в състояние на бързо, непрекъснато движение. Налягането на газа върху стените на съдържащия го контейнер трябва да бъде причинено от ударите на атоми или молекули върху стените; температурата му трябва да бъде свързана със средната скорост на движение на частиците, която се увеличава с повишаване на температурата на газа. . Една теория, основана на такива идеи, наречена кинетична теория на газовете, направи възможно да се изведат теоретично основните закони, на които се подчиняват газовете и които вече бяха получени експериментално. Освен това, ако предположението атомна структуравещества отговаря на реалността, тогава следва, че за да се обяснят свойствата на твърдите вещества и течностите е необходимо да се приеме, че в тези агрегатни състояния атомите или молекулите, които изграждат веществото, трябва да бъдат разположени на много по-малки разстояния един от друг и да бъдат много по-силно свързани помежду си, отколкото в газообразно състояние. Голямата величина на силите на взаимодействие между изключително близко разположени атоми или молекули, която трябва да се приеме, трябва да обясни еластичността, несвиваемостта и някои други свойства, характеризиращи твърдите и течните тела. Теориите, които се появиха и развиха на тази основа, срещнаха редица трудности по пътя си (повечето от които бяха елиминирани с появата на квантовата теория). Въпреки това резултатите, получени в тази теория, са достатъчно задоволителни, за да се счита, че тя се развива по правилния път. Въпреки факта, че хипотезата за атомната структура на материята за някои физически теории се оказа много плодотворна, за нейното окончателно потвърждение беше необходимо да се проведе повече или по-малко пряк експеримент, потвърждаващ атомната структура на материята. Първата стъпка към този експеримент беше опитът на ботаника Робърт Браун, който откри произволното движение на поленовите частици, суспендирани в течност. Но признанието за значимостта на това откритие за науката идва повече от половин век по-късно. За да се докаже реалността на молекулите, беше необходимо да се определи техният размер или маса. През 1865 г. Лошмид получава на газово-кинетична основа първата оценка на размера на въздушните молекули и броя на газовите молекули в 1 кубичен метър. cm при нормални условия и представи резултатите, получени в известната работа „Zur Gr ö sse der Luftmolek ü ле". Седем години по-късно през 1872 г. Ван дер Ваалс изчислява константата на Авогадро NA (броят на молекулите в проба, в която броят на грамовете от дадено вещество е равен на неговото молекулно тегло). Ван дер Ваалс намира приблизителна стойност за числото N от 6,2 1023. Теория на газа при високи налягания и произтичащите от това последствия резултатите бяха широко възхитени, но поради големия брой предположения, залегнали както в теорията, така и в изчислението на NA, получената стойност за числото на Avogadro не беше особено надеждна. 2.Откритието на Робърт Браун Приживе шотландският ботаник Робърт Браун, като най-добър експерт по растенията, получи титлата „Принц на ботаниците“. Той направи много прекрасни открития. През 1805 г., след четиригодишна експедиция в Австралия, той донася в Англия около 4000 вида австралийски растения, неизвестни на учените, и прекарва много години в изучаването им. Описани растения, донесени от Индонезия и Централна Африка. Той изучава физиологията на растенията и за първи път описва подробно ядрото на растителната клетка. Но името на учения сега е широко известно не заради тези произведения. През 1827 г. Браун провежда изследване на цветен прашец. Той се интересуваше особено от това как прашецът участва в процеса на оплождане. Веднъж под микроскоп той изследва удължени цитоплазмени зърна, суспендирани във вода от поленови клетки на северноамериканското растение Clarkia pulchella. Изведнъж Браун видя, че най-малките твърди зърна, които едва се виждаха в капка вода, непрекъснато трептят и се местят от място на място. Той установи, че тези движения, по думите му, „не са свързани нито с потоци в течността, нито с нейното постепенно изпаряване, а са присъщи на самите частици“. Наблюдението на Браун беше потвърдено и от други учени. Най-малките частици се държат като живи и „танцът“ на частиците се ускорява с повишаване на температурата и намаляване на размера на частиците и очевидно се забавя при замяна на водата с по-вискозна среда. Това удивително явление никога не е спирало: можело е да се наблюдава толкова дълго, колкото желаете. Отначало Браун дори си помисли, че в полето на микроскопа наистина попадат живи същества, още повече, че прашецът е мъжките репродуктивни клетки на растенията, но имаше и частици от мъртви растения, дори от тези, изсушени преди сто години в хербариуми. Тогава Браун се чудеше дали това са „елементарните молекули на живите същества“, за които говори известният френски натуралист Жорж Бюфон (1707-1788), автор на 36-томната Естествена история. Това предположение отпадна, когато Браун започна да изследва очевидно неодушевени обекти; отначало бяха много малки частици въглища, както и сажди и прах от лондонския въздух, след това фино смлени неорганични вещества: стъкло, много различни минерали. „Активните молекули“ бяха навсякъде: „Във всеки минерал“, пише Браун, „който успях да стрия на прах до такава степен, че да може да бъде суспендиран за известно време във вода, открих, в по-големи или по-малки количества, тези молекули." В продължение на около 30 години откритието на Браун не привлече интереса на физиците. Новото явление не беше дадено от голямо значение, смятайки, че това се обяснява с треперенето на препарата или подобно на движението на прахови частици, което се наблюдава в атмосферата, когато лъч светлина падне върху тях и което, както е известно, се причинява от движението на въздух. Но ако движенията на брауновите частици са причинени от някакви потоци в течността, тогава такива съседни частици ще се движат съгласувано, което противоречи на данните от наблюденията. Обяснение на Брауновото движение (както се нарича това явление) с движението на невидими молекули е дадено едва през последната четвърт на 19 век, но не е прието веднага от всички учени. През 1863 г. учителят по дескриптивна геометрия от Карлсруе (Германия), Лудвиг Кристиан Винер (1826-1896), предполага, че явлението е свързано с осцилаторните движения на невидимите атоми. Важно е, че Винер видя възможността да използва това явление, за да проникне в тайните на структурата на материята. Той е първият, който се опитва да измери скоростта на движение на брауновите частици и нейната зависимост от техния размер. Но заключенията на Винер бяха усложнени от въвеждането на понятието „атоми на етера“ в допълнение към атомите на материята. През 1876 г. Уилям Рамзи, а през 1877 г. белгийските йезуитски свещеници Карбонел, Делсо и Тирион и накрая през 1888 г. Гай ясно показват топлинната природа на Брауновото движение [5]. „При голяма площ, пишат Делсо и Карбонел, ударите на молекулите, които предизвикват натиск, не предизвикват никакво разклащане на висящото тяло, защото заедно създават равномерен натиск върху тялото във всички посоки. Но ако площта не е достатъчна, за да компенсира неравностите, е необходимо да се вземе предвид неравенството на натиска и тяхната непрекъсната промяна от точка на точка. закон големи числасега не намалява ефекта от сблъсъци до средно равномерно налягане, техният резултат вече няма да бъде равен на нула, но непрекъснато ще променя посоката и величината си. Ако приемем това обяснение, тогава явлението топлинно движение на течности, постулирано от кинетичната теория, може да се каже, че е доказано ad oculos (визуално). Точно както е възможно, без да се различават вълните в далечината в морето, да се обясни люлеенето на лодка на хоризонта с вълни, по същия начин, без да се вижда движението на молекулите, може да се съди за това по движението на частици, суспендирани в течност. Това обяснение на брауновото движение е важно не само като потвърждение на кинетичната теория, то води и до важни теоретични последствия. Според закона за запазване на енергията промяната в скоростта на суспендираната частица трябва да бъде придружена от промяна в температурата в непосредствена близост до тази частица: тази температура се увеличава, ако скоростта на частицата намалява, и намалява, ако скоростта на частицата се увеличава. По този начин термичното равновесие на течност е статистическо равновесие. Още по-значимо наблюдение е направено през 1888 г. от Гай: Брауновото движение, строго погледнато, не се подчинява на втория закон на термодинамиката. Всъщност, когато суспендирана частица се издига спонтанно в течност, част от топлината на заобикалящата я среда спонтанно се превръща в механична работа, което е забранено от втория закон на термодинамиката. Наблюденията обаче показват, че повдигането на една частица се случва по-рядко, колкото по-тежка е частицата. За частици материя с нормален размер тази вероятност за такова покачване е практически нулева. Така вторият закон на термодинамиката се превръща в закон на вероятността, а не в закон на необходимостта. Никакъв предишен опит не е подкрепил тази статистическа интерпретация. Достатъчно беше да се отрече съществуването на молекули, както беше направено например от школата по енергетика, която процъфтява под ръководството на Мах и Оствалд, за да се превърне вторият закон на термодинамиката в закон на необходимостта. Но след откриването на Брауновото движение стриктното тълкуване на втория закон стана невъзможно: имаше реален опит, който показа, че вторият закон на термодинамиката постоянно се нарушава в природата, че вечен двигател от втори вид не само не е изключен , но постоянно се реализира пред очите ни. Ето защо в края на миналия век изследването на Брауновото движение придобива огромно теоретично значение и привлича вниманието на много физици теоретични и по-специално на Айнщайн. 3.Теория на Брауновото движение Още от първите физически изследвания на брауновото движение са правени опити да се определи средната скорост на суспендираните частици. Получените оценки обаче съдържат груби грешки, тъй като траекторията на частицата е толкова сложна, че не може да бъде проследена: Средната скоростсе променя значително по величина и посока, без да клони към някаква специфична граница с увеличаване на времето за наблюдение. Невъзможно е да се определи допирателната към траекторията във всяка точка, тъй като траекторията на частицата не прилича на гладка крива, а на графиката на някаква функция, която няма производна. Хоризонтална проекция (уголемена) на последователни позиции, заети на всеки 30 секунди от три частици дъвка с диаметър малко повече от 1 микрон. (Les Atomes - Nature, том 91, брой 2280, стр. 473 (1913)). 3.1Айншнайн – първата теория за брауновото движение През 1902 г. след дипломирането си Федерален институтВ Цюрих Айнщайн става експерт в Швейцарското патентно ведомство в Берн, където служи в продължение на седем години. Това бяха щастливи и продуктивни години за него. Въпреки че заплатата едва достигаше, работата в патентното ведомство не беше особено натоварваща и оставяше на Айнщайн достатъчно енергия и време за теоретични изследвания. Първите му трудове са посветени на силите на взаимодействие между молекулите и приложенията статистическа термодинамика. Един от тях, „Ново определяне на молекулярния размер“, беше приет като докторска дисертация от университета в Цюрих. Същата година Айнщайн публикува малка поредица от статии, които не само показват силата му като теоретичен физик, но също така променят лицето на физиката. Една от тези работи беше посветена на обяснението на Брауновото движение на частици, суспендирани в течност. Айнщайн свързва движението на частиците, наблюдавани в микроскоп, със сблъсъците на тези частици с молекули; освен това той прогнозира, че наблюдението на брауновото движение прави възможно изчисляването на масата и броя на молекулите, присъстващи в даден обем. Това беше потвърдено няколко години по-късно от Жан Перин. Тази работа на Айнщайн е от особено значение, тъй като съществуването на молекули, считани за нищо повече от удобна абстракция, все още се поставя под въпрос по това време. 3.2Смолуховски - произход на законите на вероятността във физиката Айнщайн, който сам провежда брилянтни изследвания на Брауновото движение през същите години, пише в своя некролог в памет на Смолуховски (1917): Кинетична теориятоплината постига общо признание едва през 1905-1906 г., когато е доказано, че може да обясни количествено отдавна откритото хаотично движение на суспендирани микроскопични частици, т.е. Брауново движение. Смолуховски създава особено елегантна и визуална теория на това явление, основана на кинетичния закон за равномерното разпределение на енергията... Познаването на същността на Брауновото движение доведе до внезапно изчезване на всякакви съмнения относно надеждността на разбирането на Болцман за термодинамичните закони [ 9].
Най-важното нещо в работата на Айнщайн и Смолуховски върху брауновото движение е да се установи връзка между законите на движение на видими и директно измерими браунови частици, суспендирани в течност, и законите на движение на невидими молекули. Оказа се, че газовите закони се прилагат за суспендирани Браунови частици; тяхното разпределение в гравитационното поле (барометрична формула) е същото като разпределението на газовете; тяхната средна кинетична енергия е равна на средната кинетична енергия на молекулите на течността, в която са суспендирани. Това означава, че при брауновото движение на наблюдаваните частици имаме ясна и измерима картина на кинетичното движение на молекулите. Всичко това разкри богати възможности за различни методи за експериментално тестване на количества, характеризиращи молекулярни системи, които преди това изглеждаха само хипотетични. По този начин резултатите от изследването на Брауновото движение дадоха много начини за измерване на броя на частиците в една грам молекула (числото на Авогадро) - чрез измерване на вискозитета на газовете, разпределението на частиците, дифузията на разтворимите тела, явлението опалесценция. , феноменът синьо на небето и т.н. Във всички случаи резултатите се оказаха изненадващо последователни, в рамките на експерименталните грешки. Жан Перин, в доклад за Брауновото движение и молекулите, прочетен във Френското физическо дружество на 15 април 1909 г., каза: Струва ми се невъзможно ум, свободен от предразсъдъци, да не бъде силно впечатлен от мисълта за необикновеното разнообразие от явления, които са склонни толкова точно да дават едно и също число, докато за всяко от тези явления, без да се ръководи от молекулярната теория, един може да очаква всяка стойност между нула и безкрайност. Оттук нататък ще бъде трудно да се защити с разумни аргументи враждебността към молекулярните хипотези . Значението на изследването на Брауновото движение беше добре разбрано от Смолуховски, който на конгреса в Мюнстер през 1912 г. каза: ...Тук за първи път законът на Максуел за разпределението на скоростта и общата идея за топлината като процес на движение се приемат сериозно, докато преди всичко това обикновено се смяташе за вид поетично сравнение .
Изследванията на брауновото движение и флуктуации неизбежно изправят учените пред методически проблемиза ролята на случайността във физиката, както пише Смолуховски в статия, публикувана след смъртта му За понятието случайност и произхода на законите на вероятността във физиката .
4.Доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули 1Жан Батист Перен - решителни експерименти. По време на изследванията на катодни лъчи, излъчвани от отрицателен електрод (катод) във вакуумна тръба по време на електрически разряд, Жан Батист Перин показа през 1895 г., че те са поток от отрицателно заредени частици. Скоро започна да се разпространява вярването, че тези отрицателни частици, наречени електрони, са съставна част на атомите. Атомната теория твърди, че елементите са съставени от отделни частици, наречени атоми, и че химичните съединения са съставени от молекули, по-големи частици, съдържащи два или повече атома. До края на 19в. атомната теория стана широко приета сред учените, особено сред химиците. Някои физици обаче смятат, че атомите и молекулите не са нищо повече от фиктивни обекти, които се въвеждат от съображения за удобство и са полезни при числена обработка на резултатите от химични реакции. Австрийският физик и философ Ернст Мах смята, че въпросът за първична структураматерията е фундаментално неразтворима и не трябва да бъде обект на изследване от учени. За привържениците на атомизма потвърждаването на дискретността на материята беше един от основните въпроси, които остават неразрешени във физиката. Продължавайки да развива атомната теория, Перин излага през 1901 г. хипотезата, че атомът е миниатюрен слънчева система, но не успя да го докаже. През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува статия за Брауновото движение, която предоставя теоретична обосновка на молекулярната хипотеза. Той направи определени количествени прогнози, но експериментите, необходими за проверката им, изискваха толкова голяма точност, че Айнщайн се усъмни в тяхната осъществимост. От 1908 до 1913 г. Перин (първоначално без да знае за работата на Айнщайн) прави фини наблюдения на брауновото движение, които потвърждават предсказанията на Айнщайн. Перин осъзна, че ако движението на суспендираните частици е причинено от сблъсъци с молекули, тогава въз основа на добре познатата газови закони, можете да предвидите техните средни измествания за определен период от време, ако знаете техния размер, плътност и определени характеристики на течността (например температура и плътност). Всичко, което се изискваше, беше правилно да се съгласуват тези прогнози с измерванията и тогава щеше да има убедителни доказателства за съществуването на молекули. Получаването на частици с необходимия размер и еднородност обаче не беше толкова лесно. След много месеци усърдно центрофугиране Перин успя да изолира няколко десети от грама хомогенни частици смола (жълтеникаво вещество, получено от млечния сок на растенията). След измерване на характеристиките на брауновото движение на тези частици, резултатите се оказаха доста последователни молекулярна теория. Разпределение на крайните точки на хоризонтални премествания на частица дъвка, пренесени успоредно на себе си, така че началото на всички измествания да са в центъра на кръга, публикувано в работата на Perrin Брауновото движение и реалността на молекулите .
Перин също изучава седиментацията или утаяването на малки суспендирани частици. Ако молекулярната теория беше вярна, разсъждаваше той, частици, по-малки от определен размер, изобщо нямаше да потънат на дъното на съда: възходящият компонент на импулса, произтичащ от сблъсъци с молекули, постоянно би противодействал на низходящата сила на гравитацията. Ако суспензията не е обект на смущения, в крайна сметка ще се установи седиментационно равновесие, след което концентрацията на частици на различни дълбочини няма да се промени. Ако свойствата на суспензията са известни, тогава може да се предвиди равновесното вертикално разпределение. Перин направи няколко хиляди наблюдения, използвайки микроскопични техники по много усъвършенстван и гениален начин и преброявайки броя на частиците на различни дълбочини в една капка течност със стъпка на дълбочина от само дванадесет стотни от милиметъра. Той откри, че концентрацията на частици в течност намалява експоненциално с намаляване на дълбочината и числови характеристикисе съгласи толкова добре с прогнозите на молекулярната теория, че резултатите от неговите експерименти бяха широко приети като решаващо потвърждение за съществуването на молекули. По-късно той измисля начини за измерване не само на линейните премествания на частиците при Брауново движение, но и на тяхното въртене. Изследванията на Перин му позволяват да изчисли размерите на молекулите и числото на Авогадро, т.е. броят на молекулите в един мол (количеството вещество, чиято маса, изразена в грамове, е числено равна на молекулното тегло на това вещество). Той тества стойността си за числото на Авогадро, използвайки пет различни типа наблюдения и откри, че ги удовлетворява всички, при минимална експериментална грешка. (Понастоящем приетата стойност на това число е приблизително 6,02 1023; Перин получава стойност с 6% по-висока.) До 1913 г., когато той обобщава вече многобройните доказателства за дискретния характер на материята в своята книга Les Atomes - „Атоми“ реалността на съществуването както на атоми, така и на молекули беше почти универсално приета. През 1926 г. Перин получава Нобелова награда по физика „за работата си върху дискретната природа на материята и особено за откриването на седиментационното равновесие“. 4.2 Теодор Сведберг - определяне на размера на протеинова молекула Шведският химик Теодор Сведберг, само 3 години след като постъпва в университета в Упсала, получава докторска степен за дисертацията си върху колоидните системи. Колоидните системи са смес, в която малки частици от едно вещество са диспергирани в друго вещество. Колоидните частици са по-големи от тези на истинските разтвори, но не толкова големи, че да могат да се видят под микроскоп или да се утаят под въздействието на гравитацията. Размерите им варират от 5 нанометра до 200 нанометра. Примери за колоидни системи са мастило (въглищни частици във вода), дим (твърди частици във въздуха) и маслена мазнина (малки топчета мазнина във воден разтвор). В своята докторска дисертация Сведберг описва нов метод за използване на осцилиращи електрически разряди между метални електроди, разположени в течност, за да се получат относително чисти колоидни разтвори на метали. За използвания по-рано метод постоянен токбеше типично висока степензамърсяване. През 1912 г. Сведберг става първият учител по физическа химия в университета в Упсала и остава на тази позиция 36 години. Неговото внимателно изследване на дифузията и брауновото движение на колоидните частици (случайното движение на малки частици, суспендирани в течност) стана допълнително доказателство в полза на експерименталното потвърждение на Жан Перин от 1908 г. на теоретичната работа на Алберт Айнщайн и Мариан Смолуховски, които установиха наличието на молекули в разтвор. Перин доказва, че размерът на големи колоидни частици може да се определи чрез измерване на скоростта, с която се утаяват. Повечето колоидни частици обаче се утаяват толкова бавно в околната среда, че този метод е непрактичен. За да определи размера на частиците в колоидни разтвори, Svedberg използва ултрамикроскоп, проектиран от Richard Zsigmondy. Той вярваше, че утаяването на колоидните частици ще се ускори под по-силното гравитационно поле, създадено от високоскоростна центрофуга. По време на престоя си в Университета на Уисконсин през 1923 г., където е гостуващ професор в продължение на 8 месеца, Сведберг започва изграждането на оптична центрофуга, в която отлагането на частици ще бъде записано чрез фотография. Тъй като частиците се движат не само чрез утаяване, но и под въздействието на конвенционални течения, Сведберг не може да определи размерите на частиците с помощта на този метод. Той знаеше, че високата топлопроводимост на водорода може да помогне за премахване на температурните разлики и следователно на конвекционните токове. Чрез конструиране на клиновидна клетка и поставяне на въртяща се клетка във водородна атмосфера, Сведберг, обратно в Швеция през 1924 г., заедно с колегата си Херман Ринде, постигат отлагане без конвекция. През януари 1926 г. ученият тества нов модел ултрацентрофуга с маслени ротори, в която постига 40 100 оборота в минута. При такава скорост върху утаителната система е действала сила 50 000 пъти по-голяма от силата на гравитацията. През 1926 г. Сведберг е удостоен с Нобелова награда за химия „за работата си в областта дисперсни системи" Във встъпителната си реч от името на Кралската шведска академия на науките Х. Г. Сьодербаум каза: „Движението на частиците, суспендирани в течност... ясно демонстрира реалното съществуване на молекули и следователно на атоми – факт още по-важен откакто доскоро влиятелната школа от учени обявяваше тези материални частици за плод на въображението. 5.Съвременна наука за брауновото движение Фундаментален проблемотношения на обратимост на уравненията на класическите и квантова механикас необратимостта на термодинамичните процеси е тясно свързано с понятието хаос и приложимостта на вероятностно описание. От многото решения на уравненията на динамиката се реализират само тези, които са устойчиви на взаимодействие с околната среда на физическата система, поради което необратимостта е свойство на отворените системи. Всяка система може да се счита за затворена само приблизително (тъй като винаги има външен шум), следователно необратимостта има универсален характер. В момента срокът Брауново движение има много широко значениеи теорията на брауновото движение е клон на физиката на отворените системи, свързан със стохастични процеси, процеси на самоорганизация и динамичен хаос. IN статистическа теориянеравновесни процеси атоми , като микроскопични структурни единици, се използват само на етапа на конструиране на модел на разглежданата макроскопична система. След това се прилагат дисипативни нелинейни уравнения механика на континуума за детерминирани функции. Има три нива на описание - кинетично, хидродинамично и химична кинетика. Отделно можем да разграничим стохастичните уравнения (например уравнения на теорията на турбулентността) за произволни функции. Усъвършенстването на теорията е възможно чрез отчитане на флуктуациите, което е направено за първи път от Langevin при разглеждане на линейното дисипативно динамично уравнение на движението на браунова частица. В различни системи ролята Браунови частици функции на разпределение, хидродинамични функции и концентрации могат да играят. Отчитането на флуктуациите е необходимо при изучаване на молекулярното разсейване на светлината и неравновесните фазови преходи, чиито последователности образуват процеси на самоорганизация. Приложенията на нелинейната теория на Брауновото движение са изключително обширни: от екология и финанси до методи за контролирано движение на наночастици - Браунови двигатели . Браунови двигатели свързани с дисипативна динамика в неравновесни квантови системи. Развитието на математическо описание на стохастичните процеси стимулира напредъка в различни области, което води до появата на съвременната формулировка на квантовата механика, основана на интеграли по пътя и нови посоки на изследване, като квантовия хаос и квантовия браунов шум. Експерименталният напредък в областта на физиката на високите енергии и астрофизиката стимулира интереса към процесите на релативистка дифузия и изграждането на релативистка статистическа механика; в момента много въпроси все още остават отворени. От откриването си Брауновото движение се превърна от обект на лично научно любопитство в ключова концепция на съвременната наука. Литература 1.Луи дьо Бройл. Революция във физиката ( Нова физикаи кванти). М: Атомиздат, 1965. 2.J. J. Loschmidt. Zur Grösse der Luftmoleküle. Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien, B. 52, Abt. II, стр. 395-413 (1866). 3.М. Лиози. История на физиката - М: Мир, 1970г. 4.Питър В. ван дер Пас. Откриване на Брауновото движение. Scientiarum Historia. Т. 13, С. 27-35 (1971) 5.Дж. Кларк. Илюстрована хроника на открития и изобретения от древността до наши дни: Наука и техника: Хора, дати, събития (превод от английски) М: Астрел, 2002. 6.А. Айнщайн. Eine neue Bestimmun g der Moleküldimensionen. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, P. 289-306 (1906) .А. Айнщайн. Zur Theorie der Brownschen Bewegung. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, P. 371-381 (1906) 8.Лауреати Нобелова награда: Енциклопедия: Прев. от английски - М.: Прогрес, 1992. 9.А. Айнщайн. Среща научни трудове, т. IV, Мариан Смолуховски. М: Наука, 1937. 10.С. Г. Суворов. Към 50-годишнината от смъртта на Мариан Смолуховски. UFN T. 93, стр. 719-723 (1976) 11.М. Смолуховски. За понятието случайност и произхода на законите на вероятността във физиката. UFN Vol. 5, стр. 329-349 (1927) .J. Perrin. Брауновото движение и молекулярната реалност, Тейлър и Франсис, Лондон, 1910 г. .J. Perrin. Les Atomes. Природа, V. 91, Is. 2280, стр. 473 (1913) 14.А. Б. Кадомцев. Динамика и информация. М: Редакционна колегия на списание UFN, 1997 г. 15.А. Ю. Лоскутов. Динамичен хаос. системи класическа механика. UFN том 172, стр. 989-1115 (2007) .С. Н. Гордиенко. Необратимостта и вероятностното описание на динамиката на класическите частици. UFN том 169, стр. 653-672 (1999) 17.М. М. Робърт. Брауново движение: Флуктуации, динамика и приложения. Международна поредица от монографии по физика, том. 112 (Oxford University Press, 2002) 18.Ю. Л. Климонтович. Турбулентно движение и структура на хаоса. М: Наука, 1990. 19.Ю. Л. Климонтович. Нелинейно Брауново движение. UFN T. 164, бр. 8 стр. 812-845.(1994) 20.J. A. Freund, Th. Пьошел. Стохастични процеси във физиката, химията и биологията. Лекции по физика, V. 557 (2000) 21.C. Godrèche1, S. N. Majumdar, G. Schehr. Лонге st Екскурзия на случайни процеси в неравновесни системи. Phys. Rev. Lett. v.102, p.240602 (2009) .М. Лакс. Флуктуации и кохерентни явления в класическата и квантовата оптика. Ню Йорк: Гордън, 1968 г. .Х. Хакен. Разширена синергетика. Хайделберг: Springer-Verlag, 1983. .J. Dunkel, П. Хангги. Релативистично Брауново движение. Доклади по физика, V. 471, Is. 1, С. 1-73.(2009) 25.P. Hänggi, F. Marchesoni. Изкуствени Браунови двигатели: Контрол на транспорта на na noscale. Прегледи на съвременната физика, V. 81, Is. 1, стр. 387-442 (2009) .П. Райман. Браунови двигатели: шумен транспорт далеч от равновесие. Доклади по физика, V. 361, Is. 2-4, стр. 57-265 (2002) 27.P. Hänggi, G.-L. Инголд. Фундаментални аспекти на квантовата Брауни движение. Хаос, V. 15, Is. 2, стр. 026105-026105 (2005) .Е. Фрей, К. Крой. Брауново движение: парадигма на меката материя и биологичната физика. Annalen der Physik. Т. 14, С. 20 - 50 (2005)Подобни произведения на - Теорията на брауновото движение и експериментално доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули
Основни принципи на молекулярно-кинетичната теория.
1). Всяко вещество има дискретна (прекъсната) структура. Състои се от миниатюрни частици – молекули и атоми, разделени с интервали. Молекулите са най-малките частици, които имат химични свойстваот това вещество. Атомите са най-малките частици, които имат свойствата химически елементи, включени в състава на това вещество.
2). Молекулите са в състояние на непрекъснато хаотично движение, наречено топлинно движение. При нагряване на веществото скоростта на топлинното движение и кинетичната енергия на неговите частици се увеличават, а при охлаждане намаляват. Степента на нагряване на тялото се характеризира с неговата температура, която е мярка за средната кинетична енергия на транслационното движение на молекулите на това тяло.
3). Между молекулите в процеса на тяхното взаимодействие възникват сили на привличане и отблъскване.
^ Експериментално обосноваване на молекулярно-кинетичната теория
Наличието на пропускливост, свиваемост и разтворимост в веществата показва, че те не са непрекъснати, а се състоят от отделни частици, разделени с интервали. Като се използва съвременни методиизследвания (електронни и йонни микроскопи) успяха да получат изображения на най-големите молекули.
Наблюденията на брауновото движение и дифузията на частиците показват, че молекулите са в непрекъснато движение.
Наличието на якост и еластичност на телата, омокряемост, адхезия, повърхностно напрежение в течности и др. - всичко това доказва съществуването на сили на взаимодействие между молекулите.
^ Брауново движение.
През 1827 г. английският ботаник Браун, наблюдавайки с микроскоп суспензия от цветен прашец във вода, открива, че поленовите зърна непрекъснато се движат хаотично. Случайното движение на много малки частици от твърдо вещество, суспендирани в течност, се нарича Брауново движение. Установено е, че брауновото движение се случва неограничено дълго време. Интензивността на движение на частиците, суспендирани в течност, не зависи от веществото на тези частици, а зависи от техния размер. Големите частици остават неподвижни. Интензивността на брауновото движение се увеличава с повишаване на температурата на течността и намалява с понижаването й. Частиците, суспендирани в течност, се движат под въздействието на течни молекули, които се сблъскват с тях. Молекулите се движат хаотично, така че силите, с които действат върху суспендираните частици, непрекъснато се променят по големина и посока. Това води до произволно движение на суспендираните частици. Така брауновото движение ясно потвърждава съществуването на молекули и хаотичния характер на тяхното топлинно движение. (Количествената теория на брауновото движение е разработена от Айнщайн през 1905 г.)
дифузиянаричаме феномена на спонтанно взаимно проникване на молекули на съседни вещества в междумолекулните пространства един на друг. (Дифузията, която възниква през полупропускливи прегради, се нарича осмоза.) Пример за дифузия в газовете е разпространението на миризми. При течностите ясно проявление на дифузията е смесването срещу действието на гравитацията на течности с различна плътност (в този случай молекулите на по-тежката течност се издигат нагоре, а тези на по-леката течност падат надолу). Дифузията се среща и в твърди вещества. Това се доказва от следния експеримент: две полирани плоски плочи от злато и олово, поставени една върху друга, се държат при стайна температура в продължение на 5 години. През това време плочите се срастваха, за да образуват едно цяло, и златните молекули проникнаха в оловото, а оловните молекули проникнаха в златото на дълбочина от 1 см. 1 Скоростта на дифузия зависи от агрегатно състояниевещества и температури. С повишаване на температурата скоростта на дифузия се увеличава, а с понижаване на температурата намалява.
^ Размери и маса на молекулите
Размерът на една молекула е относителна стойност. Оценява се по следния начин. Между молекулите, наред със силите на привличане, действат и сили на отблъскване, така че молекулите могат да се приближават една до друга само на определено разстояние. Разстоянието на максималното приближаване на центровете на две молекули се нарича ефективен диаметър на молекулата и се обозначава с o (в същото време условно се приема, че молекулите имат сферична форма). С изключение на молекули на органични вещества, съдържащи много голямо числоатоми, повечето молекули по големина имат диаметър 10 -10 m и маса 10 -26 kg.
^ Относително молекулно тегло
Тъй като масите на атомите и молекулите са изключително малки, при изчисленията те обикновено използват не абсолютни, а относителни стойности на масата, получени чрез сравняване на масите на атомите и молекулите с единицата за атомна маса, която е 1/12 от масата на въглерода атом (т.е. те използват въглеродната скала атомни маси). Относителна молекулярна(или атомен) маса М r(или А r) вещества е стойност, равна на съотношението на масата на молекула (или атом) от това вещество към 1/12 от масата на въглероден атом 12 C. Относителната молекулна (атомна) маса е величина, която няма измерение. Относителната атомна маса на всеки химичен елемент е посочена в периодичната таблица. Ако дадено вещество се състои от молекули, образувани от атоми на различни химични елементи, относителната молекулна маса на това вещество е равна на сумата от относителните атомни маси на елементите, които изграждат веществото.
^ Количество вещество
Количеството материя, съдържащо се в едно тяло, се определя от броя на молекулите в това тяло (или броя на атомите). Тъй като броят на молекулите в макроскопичните тела е много голям, за да се определи количеството вещество в едно тяло, броят на молекулите в това тяло се сравнява с броя на атомите в 0,012 kg въглерод. С други думи, количеството вещество vнарича стойност, равна на отношението на броя на молекулите (или атомите) N в дадено тяло към броя на атомите N A в 12 g въглерод, т.е.
v = N/N А . Количеството вещество се изразява в молове. Един мол е равен на количеството вещество в система, съдържаща същия брой структурни елементи (атоми, молекули, йони), колкото има атоми във въглерод-12 с тегло 0,012 kg.
^ Константата на Авогадро. Моларна маса
Според дефиницията на понятието мол, 1 мол от всяко вещество съдържа същия брой молекули или атоми. Това е числото N A, равно на числотоатоми на 0,012 kg (т.е. 1 мол) въглерод се нарича константа на Авогадро. Моларната маса M на дадено вещество е масата на 1 мол от това вещество. Моларна масавеществата се изразяват в килограми на мол.
Количеството вещество може да се намери като 
Масата на една молекула може да се намери като 
или като се има предвид, че относителната молекулна маса е числено равна на масата на една молекула, изразена в amu. (1 amu = 1,6610 -27 kg).
^ 2. Строеж на газообразни, течни и твърди тела
Има четири агрегатни състояния на материята – твърдо, течно, газообразно и плазмено.
Ако минимумът потенциална енергия W P на молекулите на дадено вещество е много по-малко от средната кинетична енергия на тяхното топлинно движение W K (т.е. W P > W K, тогава веществото е в твърдо състояние.
В газове при ниско налягане и не ниски температуримолекулите са разположени една от друга на разстояния многократно по-големи от техните размери. При такива условия газовите молекули не са свързани една с друга чрез междумолекулни сили на привличане. Те се движат хаотично прогресивно по целия обем, зает от газа. Взаимодействието на газовите молекули възниква само когато те се сблъскат една с друга и със стените на съда, в който се намира газът. Предаването на инерция по време на тези сблъсъци определя налягането, произведено от газа. Разстоянието, което една молекула изминава между два последователни сблъсъка, се нарича среден свободен път на молекулата. Ако газовите молекули се състоят от два или повече атома, тогава при сблъсък те придобиват въртеливо движение. Така в газовете молекулите извършват предимно транслационно и ротационно движение.
В течностите разстоянието между молекулите е сравнимо с техния ефективен диаметър. Силите на взаимодействие на молекулите една с друга са доста силни. Молекулите на течността осцилират около временни равновесни позиции. Въпреки това, в течности W П ~ W K, следователно, след като са получили излишък от кинетична енергия в резултат на хаотични сблъсъци, отделните молекули преодоляват привличането на съседни молекули и се преместват в нови равновесни позиции, около които отново правят трептящо движение. Времето на вибрация на течни молекули в близост до равновесни позиции е много кратко (около 10 -10 - 10 -12 s), след което молекулите извършват преход към нови позиции. Следователно молекулите на течността претърпяват осцилаторно движение около временни центрове на равновесие и рязко се преместват от едно равновесно положение в друго (в резултат на такива движения течността има течливост и приема формата на съда, в който се намира). Течността се състои от много микроскопични области, в които има определен ред в подреждането на близките молекули, който не се повтаря в целия обем на течността и се променя с времето. Този тип подреждане на частиците се нарича ред на къси разстояния.
В твърдите тела разстоянието между молекулите е дори по-малко, отколкото в течностите. Силите на взаимодействие между молекулите на твърдите тела са толкова големи, че молекулите се задържат една спрямо друга в определени позиции и вибрират около постоянни центрове на равновесие. Твърдите вещества се делят на кристални и аморфни. Кристалните тела се характеризират с така наречените кристални решетки - подредено и периодично повтарящо се разположение на молекули, атоми или йони в пространството. Ако чрез произволен възел кристална решетканачертайте права линия във всяка посока, след това по тази права линия други възли на тази решетка ще се срещнат на равни разстояния, т.е. тази структура се повтаря в целия обем кристално тяло. Този тип подреждане на частиците се нарича ред на дълги разстояния. В аморфните тела (стъкло, смола и редица други вещества) няма далечен ред и кристална решетка, което прави аморфните тела подобни по свойства на течностите. В аморфните тела обаче молекулите осцилират около временни равновесни позиции много по-дълго, отколкото в течности. В твърдите тела молекулите извършват предимно вибрационно движение (въпреки че има и отделни молекули, които се движат постъпателно, както се вижда от явлението дифузия).
^ 3. Опитът на Стърн. Разпределение на молекулите по скорост
Газовите молекули се движат с високи скорости по права линия, докато не се сблъскат. При стайна температура скоростта на въздушните молекули достига няколкостотин метра в секунда. Разстоянието, което молекулите изминават средно от един сблъсък до друг, се нарича среден свободен път на молекулите. Молекулите на въздуха при стайна температура имат среден свободен път от порядъка на 10 -7 м. Поради хаотичното движение на молекулите имат много различни скорости. Но при дадена температура е възможно да се определи скоростта, близка до която има най-голям брой молекули.
Скоростта in, близка до която има най-голям брой молекули, се нарича най-вероятна скорост.
Само много малък брой молекули имат скорост, близка до нула, или близка до безкрайно голяма стойност, многократно по-голяма от най-вероятната скорост. И, разбира се, няма молекули, чиято скорост е нула или безкрайно голяма. Но повечето молекули имат скорост, близка до най-вероятната.
С повишаване на температурата скоростта на молекулите се увеличава. Но броят на молекулите със скорост, близка до най-вероятната, намалява, тъй като разпространението на скоростите се увеличава, а броят на молекулите, чиито скорости се различават значително от най-вероятната, се увеличава. Броят на молекулите, движещи се с високи скорости, се увеличава, а тези, движещи се с по-ниски скорости, намалява. И 
Поради огромния брой молекули във всеки обем газ, техните посоки на движение по всяка координатна ос са еднакво вероятни, ако газът е в състояние на равновесие, тоест в него няма потоци. Това означава, че всяко насочено движение на една молекула съответства на противопосочното движение на друга молекула със същата скорост, т.е. ако една молекула се движи, например, напред, тогава определено ще има друга молекула, която се движи назад със същата скорост. Следователно скоростта на движение на молекулите, като се вземе предвид тяхната посока, не може да се характеризира със средната скорост на всички молекули; тя винаги ще бъде равна на нула, тъй като положителна скорост, сънасочена с една от координатните оси, ще се сумира с отрицателна скорост, противоположна на тази ос. Ако стойностите на скоростта на всички молекули са на квадрат, тогава всички минуси ще изчезнат. Ако тогава съберем квадратите на скоростите на всички молекули и след това разделим на броя на молекулите N, т.е. определим средната стойност на квадратите на скоростите на всички молекули и след това извлечем Корен квадратенот тази стойност, тогава тя вече няма да бъде равна на нула и ще бъде възможно да се характеризира скоростта на движение на молекулите. Корен квадратен от средната стойност на квадратите на скоростите на всички молекули се нарича тяхната средна квадратична скорост 
. От уравненията на молекулярната физика следва, че 
.
^ Опитът на Стърн.
Първото експериментално определяне на скоростта на молекулите е направено през 1920 г. от немския физик О. Щерн. Той определя средната скорост на движение на атомите. Експерименталната схема е показана на фиг.
Две коаксиални цилиндрични повърхности 1 и 2 са фиксирани върху плоска хоризонтална основа, която заедно с основата може да се върти около вертикалната ос OO 1. Повърхност 1 е твърда, а p 
повърхност 2 има тесен процеп 4, успореден на оста OO 1. Тази ос е платинена посребрена тел 3, през която електричество. Цялата система е разположена в камера, от която е евакуиран въздух (т.е. във вакуум). Телта се нагрява до висока температура. Сребърните атоми, изпарявайки се от повърхността му, изпълват вътрешния цилиндър 2. Тесен сноп от тези атоми, преминавайки през процепа 4 в стената на цилиндър 2, достига вътрешната повърхност на цилиндър 1. Ако цилиндрите са неподвижни, сребърните атоми са отложен върху тази повърхност под формата на тясна ивица, успоредна на слотовете (точка B), (разрез на цилиндрите с хоризонтална равнина).
Когато цилиндрите се въртят с постоянна ъглова скорост около оста OO 1 за времето t, през което атомите летят от процепа до повърхността на външния цилиндър (т.е. изминават разстояние AB, равно на разликата 
радиуси на тези цилиндри), цилиндрите се завъртат на ъгъл , а атомите се отлагат под формата на лента на друго място (точка C, фиг. b). Разстоянието между местата на отлагане на атоми в първия и втория случай е равно на s.
Нека обозначим 
средната скорост на движение на атомите, а v = R е линейната скорост на външния цилиндър. Тогава 
. Познавайки параметрите на инсталацията и измервайки s експериментално, е възможно да се определи средната скорост на движение на атомите. В експеримента на Стърн е установено, че средната скорост на сребърните атоми е 650 m/s.
Основни принципи на молекулярно-кинетичната теория.
1). Всяко вещество има дискретна (прекъсната) структура. Състои се от миниатюрни частици – молекули и атоми, разделени с интервали. Молекулите са най-малките частици, които имат химичните свойства на дадено вещество. Атомите са най-малките частици, притежаващи свойствата на химичните елементи, изграждащи дадено вещество.
2). Молекулите са в състояние на непрекъснато хаотично движение, наречено топлинно движение. При нагряване на веществото скоростта на топлинното движение и кинетичната енергия на неговите частици се увеличават, а при охлаждане намаляват. Степента на нагряване на тялото се характеризира с неговата температура, която е мярка за средната кинетична енергия на транслационното движение на молекулите на това тяло.
3). Между молекулите в процеса на тяхното взаимодействие възникват сили на привличане и отблъскване.
Експериментално обосноваване на молекулярно-кинетичната теория
Наличието на пропускливост, свиваемост и разтворимост в веществата показва, че те не са непрекъснати, а се състоят от отделни частици, разделени с интервали. С помощта на съвременни методи за изследване (електронни и йонни микроскопи) беше възможно да се получат изображения на най-големите молекули.
Наблюденията на брауновото движение и дифузията на частиците показват, че молекулите са в непрекъснато движение.
Наличието на якост и еластичност на телата, омокряемост, адхезия, повърхностно напрежение в течности и др. - всичко това доказва съществуването на сили на взаимодействие между молекулите.
Брауново движение.
През 1827 г. английският ботаник Браун, наблюдавайки с микроскоп суспензия от цветен прашец във вода, открива, че поленовите зърна непрекъснато се движат хаотично. Случайното движение на много малки частици от твърдо вещество, суспендирани в течност, се нарича Брауново движение. Установено е, че брауновото движение се случва неограничено дълго време. Интензивността на движение на частиците, суспендирани в течност, не зависи от веществото на тези частици, а зависи от техния размер. Големите частици остават неподвижни. Интензивността на брауновото движение се увеличава с повишаване на температурата на течността и намалява с понижаването й. Частиците, суспендирани в течност, се движат под въздействието на течни молекули, които се сблъскват с тях. Молекулите се движат хаотично, така че силите, с които действат върху суспендираните частици, непрекъснато се променят по големина и посока. Това води до произволно движение на суспендираните частици. Така брауновото движение ясно потвърждава съществуването на молекули и хаотичния характер на тяхното топлинно движение. (Количествената теория на брауновото движение е разработена от Айнщайн през 1905 г.)
дифузиянаричаме феномена на спонтанно взаимно проникване на молекули на съседни вещества в междумолекулните пространства един на друг. (Дифузията, която възниква през полупропускливи прегради, се нарича осмоза.) Пример за дифузия в газовете е разпространението на миризми. При течностите ясно проявление на дифузията е смесването срещу действието на гравитацията на течности с различна плътност (в този случай молекулите на по-тежката течност се издигат нагоре, а тези на по-леката течност падат надолу). Дифузия се среща и в твърди тела. Това се доказва от следния експеримент: две полирани плоски плочи от злато и олово, поставени една върху друга, се държат при стайна температура в продължение на 5 години. През това време плочите се срастваха, образувайки едно цяло, а златните молекули проникнаха в оловото, а оловните молекули проникнаха в златото на дълбочина 1 см. 1 Скоростта на дифузия зависи от състоянието на агрегация на веществото и температурата. . С повишаване на температурата скоростта на дифузия се увеличава, а с понижаване на температурата намалява.
Размери и маса на молекулите
Размерът на една молекула е относителна стойност. Оценява се по следния начин. Между молекулите, наред със силите на привличане, действат и сили на отблъскване, така че молекулите могат да се приближават една до друга само на определено разстояние. Разстоянието на максималното приближаване на центровете на две молекули се нарича ефективен диаметър на молекулата и се обозначава с o (в същото време условно се приема, че молекулите имат сферична форма). С изключение на молекулите на органичните вещества, съдържащи много голям брой атоми, повечето молекули в порядъка на величината имат диаметър 10 -10 m и маса 10 -26 kg.
Относително молекулно тегло
Тъй като масите на атомите и молекулите са изключително малки, при изчисленията те обикновено използват не абсолютни, а относителни стойности на масата, получени чрез сравняване на масите на атомите и молекулите с единицата за атомна маса, която е 1/12 от масата на въглерода атом (т.е. те използват мащаба на въглеродната атомна маса). Относителна молекулярна(или атомен) маса Г-н(или A r) вещества е стойност, равна на съотношението на масата на молекула (или атом) от това вещество към 1/12 от масата на въглероден атом 12 C. Относителната молекулна (атомна) маса е величина, която няма измерение. Относителната атомна маса на всеки химичен елемент е посочена в периодичната таблица. Ако дадено вещество се състои от молекули, образувани от атоми на различни химични елементи, относителната молекулна маса на това вещество е равна на сумата от относителните атомни маси на елементите, които изграждат веществото.
Количество вещество
Количеството материя, съдържащо се в едно тяло, се определя от броя на молекулите в това тяло (или броя на атомите). Тъй като броят на молекулите в макроскопичните тела е много голям, за да се определи количеството вещество в едно тяло, броят на молекулите в това тяло се сравнява с броя на атомите в 0,012 kg въглерод. С други думи, количеството вещество vнарича стойност, равна на отношението на броя на молекулите (или атомите) N в дадено тяло към броя на атомите N A в 12 g въглерод, т.е.
v = N/N A .Количеството вещество се изразява в молове. Един мол е равен на количеството вещество в система, съдържаща същия брой структурни елементи (атоми, молекули, йони), колкото има атоми във въглерод-12 с тегло 0,012 kg.
Константата на Авогадро. Моларна маса
Според дефиницията на понятието мол, 1 мол от всяко вещество съдържа същия брой молекули или атоми. Това число N A, равно на броя на атомите в 0,012 kg (т.е. 1 мол) въглерод, се нарича константа на Авогадро. Моларната маса M на дадено вещество е масата на 1 мол от това вещество. Моларната маса на дадено вещество се изразява в килограми на мол.
Количеството вещество може да се намери като
Масата на една молекула може да се намери като или като се вземе предвид, че относителната молекулна маса е числено равна на масата на една молекула, изразена в amu. (1 amu = 1,66×10 -27 kg).
