История атомистических наук.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

История атомистических наук.

Подготовил: студент группы

Корнатовская Ольга

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

В физике для описания этих явлений используют два основных метода: молекулярно-кинетический (статистический) и термодинамический. Молекулярно - кинетический метод основан на представлении о том, что все вещества состоят из молекул, находящихся в хаотическом движении. Так как число молекул огромно, то можно, применяя законы статистики, найти определенные закономерности для вещества в целом. Термодинамический метод исходит из основных опытных за­конов, получивших название законов термодинамики. Термодинамический ме­тод подходит к изучению явлений подобно классической механике, которая ба­зируется на опытных законах Ньютона. При таком подходе не рассматривается внутреннее строение вещества.

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Раздел физики, изучающий зависимости строения и физических свойств тел от характера движе­ния и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, называют мо­лекулярной физикой.

Учение о том, что все тела состоят из отдельных частиц — атомов, возникло в Древней Греции в IV в. до н. э. Основоположником атомистической теории был философ Демокрит. Воззрения Демокрита, естественно, весьма далеки от совре­менных представлений, но они сыграли важную роль в развитии физики. Среди трудов крупных философов-физиков, занимавшихся учением о молекулярном строении вещества, особую роль сыграли труды великого русского ученого М.В.Ломоносова. Им были рассмотрены вопросы вращательного движения мо­лекул и объяснены тепловые явления при этом виде движения. Он отвергал господствовавшее в то время учение о теплороде — некоторой невесомой жидкости, якобы определяющей тепловые свойства тел, и утверждал, что «теплота состоит во внутреннем движении материи».

Основные представления, высказанные Ломоносовым, были в дальнейшем развиты Л. Больцманом, Р. Клаузиусом, Д. Максвеллом, Л. Гей-Люссаком, А. Авогадро и др. Многочисленные исследования, проведенные этими учеными, позво­лили сформулировать основные положения молекулярно-кинетической теории. В основе теории лежат три важных положения, подтвержденные эксперименталь­но и теоретически.

1. Все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, молекул, в состав ко­торых входят еще более мелкие элементарные частицы (электроны, про­тоны, нейтроны). Строение любого вещества дискретно (прерывисто).

2. Атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаоти­ческом движении.

3. Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия — притяжения и отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

Эти положения подтверждаются явлениями диффузии, броуновского движе­ния, особенностями строения и свойствами газов, жидкостей, твердых тел и дру­гими явлениями.

Тепловое движение. Опытные данные, лежащие в основе молекулярно-кинетической теории, служат наглядным доказательством молекулярного движения и зависимости этого движения от температуры. В отличие от механического дви­жения нагревание или охлаждение тел может привести к изменению их физичес­ких свойств. Так, при сильном охлаждении вода превращается в лед, а нагревание металла до высоких температур вызывает превращение его не только в жидкость, но и в газ.

Течение тепловых процессов непосредственно связано со структурой вещества, поэтому тепловые явления могут быть использованы для объяснения строения вещества, а строение вещества, в свою очередь, дает нам представление о физи­ческой сущности тепловых явлений.

Чтобы объяснить эти процессы и научиться управлять ими, необходимо уста­новить законы, которым подчиняются изменения, происходящие с телами под действием теплоты. Эти законы описывают тепловую форму движения материи.

Размеры молекул. Все тела состоят из огромного числа молекул и атомов. Так как размеры атомов и молекул очень малы, то увидеть их невооруженным глазом нельзя. Даже лучшие оптические микроскопы не позволяют видеть отдельную мо­лекулу. Только с помощью электронного микроскопа, дающего увеличение в 30 000 раз и более, были сфотографированы отдельные крупные молекулы. Методом рентгеноструктурного анализа с хорошей точностью можно определить размеры мо­лекул. Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что наибольший линей­ный размер двухатомной молекулы кислорода порядка 4 •10^-10 м, такой же размер имеют молекулы азота. Объем молекулы кислорода равен примерно 10^-20 м³.

О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно судить и без измерений. Проведем следующий простой опыт. В 1 л (10^-3 м³) чистой воды разведем 1 мм³ (10^-9 м³) зеленых чернил, т.е. разбавим чернила в 1 000 000 раз. Увидим, что раствор имеет зеленую окраску и вместе с тем однороден. Это говорит о том, что даже при разбавлении в 1 000 000 раз в воде находится большое количество молекул красящего вещества (чернил). Этот опыт показывает, как малы размеры молекул.

Большие успехи, достигнутые в последнее время в изучении строения вещества, раскрыли перед нами новый мир — мир мельчайших частиц. Этот мир получил на­звание микромира в отличие от мира крупных тел — макромир. Микромир оказал­ся очень сложным. Молекулы любого тела состоят из еще более мелких частиц — атомов, которые, в свою очередь, состоят из электронов и ядер. Ядра атомов вклю­чают в себя протоны и нейтроны — частицы, также имеющие сложное строение.

Атомом называют наименьшую частицу данного химического элемента. Каж­дому химическому элементу соответствуют вполне определенные атомы, сохра­няющие химические свойства данного элемента.

Молекулой называют наименьшую устойчивую частицу данного вещества, обладающую его основными химическими свойствами.

Масса молекул. Массы отдельных молекул и атомов очень малы, например абсолютное значение массы молекулы воды порядка 3 • 10^-26 кг. Массы отдель­ных молекул экспериментально определяют с помощью специального прибора — масс-спектрометра.

В молекулярной физике принято характеризовать массы атомов и молекул не их абсолютными значениями (в кг), а относительными безразмерными величи­нами, называемыми относительной атомной массой А₀ и относительной молеку­лярной массой М₀.

По международному соглашению в качестве единичной атомной массы m₀ при­нимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С(m_0C):

m₀ = 1/12 m_0C = 1,66 • 10^-27 кг.

Относительную молекулярную массу, или относительную массу молекулы (М_г), можно определить, если абсолютное значение массы молекулы (m_мол в кг) разделить на единичную атомную массу (1,66 *10^-27 кг):

. (1.1)

Аналогичной формулой определяется и относительная атомная масса А_r, надо лишь под т_мол в формуле (1.1) понимать абсолютное значение массы атома:

Количество вещества. Микроскопические тела состоят из огромного количе­ства молекул. Так как массы отдельных молекул отличаются друг от друга, то одинаковое число молекул разных веществ имеют разную массу, например 10²⁸ молекул водорода имеют массу 33,45 кг, а 10²⁸ молекул кислорода — 531,45 кг. Поэтому принято сравнивать число молекул или атомов в данном веществе с чис­лом атомов, содержащихся в 0,012 кг углерода. Относительное число атомов или молекул, содержащихся в макроскопическом теле, характеризуется физической величиной, называемой количеством вещества v.

Количество вещества — это отношение числа N молекул (атомов) в данном макроскопическом теле к числу N_A атомов в 0,012 кг углерода:

. (1.2)

Количество вещества выражают в молях.

Моль — количество вещества, содержащего столько же молекул (атомов), сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит, по определению, одинаковое число молекул (атомов). Это число называют постоянной Авогадро:

Понятие моля относится к числу молекул (атомов) вещества. Например, неправильно говорить, что в баллоне содержится два моля углекислого газа СО₂. Нужно говорить: в баллоне содержится два моля молекул углекислого газа. Это означает, что в баллоне имеется 2*6,02*10^-23 молекул СО₂, т.е. два моля атомов углерода и четыре моля атомов кислорода.

Молярная масса. В молекулярной физике пользуются также понятием мо­лярной массы М, которая определяется как масса одного моля вещества:

М=m_молN_А. (1.3)

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль) и равна отно­шению массы вещества к содержащемуся в нем количеству вещества v:

В 1 моль любого вещества содержится N_A =6,02*10^-23 молекул. Известно, что моль при нормальных условиях занимает объем V₀ = 22,4 • 10^-3 м³. Следовательно, в 1 м³ любого газа при нормальных условиях содержится одинаковое число молекул:

Это число получило название постоянной Лошмидта.