Взаємодія між атомами і молекулами речовини. Будова твердих, рідких і газоподібних тіл

Між молекулами речовини діють одночасно сили тяжіння і сили відштовхування. Ці сили в великій мірі залежать від відстаней між молекулами.

Згідно з експериментальними і теоретичними дослідженнями міжмолекулярні сили взаємодії обернено пропорційні n-го ступеня відстані між молекулами:

де для сил тяжіння n = 7, а для сил відштовхування .

Взаємодія двох молекул можна описати за допомогою графіка залежності проекції рівнодіючої сил тяжіння і відштовхування молекул від відстані r між їх центрами. Направимо вісь r від молекули 1, центр якої збігається з початком координат, до що знаходиться від нього на відстані центру молекули 2 (рис. 1).

Мал. 1

Будемо вважати, що молекула 1 нерухома, а молекула 2 змінює своє положення щодо молекули 1.

Тоді проекція сили відштовхування молекули 2 від молекули 1 на вісь r буде позитивною. Проекція сили тяжіння молекули 2 до молекули 1 буде негативною.

Сили відштовхування (рис. 2) набагато більше сил тяжіння на малих відстанях , Але набагато швидше зменшуються зі збільшенням r. Сили тяжіння теж швидко зменшуються зі збільшенням r, так що, починаючи з деякої відстані , Взаємодією молекул можна знехтувати. Найбільша відстань rm, на якому молекули ще взаємодіють, називається радіусом молекулярного дії .

Мал. 2

сили відштовхування по модулю рівні силам тяжіння.

відстань відповідає сталому рівноважного взаємною положенню молекул.

У різних агрегатних станах речовини відстань між його молекулами-різному. Звідси і відмінність в силовому взаємодії молекул і істотна відмінність в характері руху молекул газів, рідин і твердих тіл.

У газах відстані між молекулами в кілька разів перевищують розміри самих молекул. Внаслідок цього сили взаємодії між молекулами газу малі і кінетична енергія теплового руху молекул набагато перевищує потенційну енергію їх взаємодії. Кожна молекула рухається вільно від інших молекул з величезними швидкостями (сотні метрів в секунду), змінюючи напрямок і модуль швидкості при зіткненнях з іншими молекулами. Довжина вільного пробігу молекул газу залежить від тиску і температури газу. При нормальних умовах .

У рідинах відстань між молекулами значно менше, ніж в газах. Сили взаємодії між молекулами великі, і кінетична енергія руху молекул порівнянна з потенційною енергією їх взаємодії, внаслідок чого молекули рідини здійснюють коливання біля деякого положення рівноваги, потім стрибкоподібно переходять в нові положення рівноваги через дуже малі проміжки часу , Що призводить до плинності рідини. Таким чином, в рідині молекули здійснюють в основному коливальні і поступальні рухи. У твердих тілах сили взаємодії між молекулами настільки великі, що кінетична енергія руху молекул набагато менше потенційної енергії їх взаємодії. Молекули здійснюють лише коливання з малою амплітудою близько деякого постійного положення рівноваги - вузла кристалічної решітки.