Часть 2. Молекулярная Физика.

Лабораторная работа №100

Оптические методы измерения размеров молекул различных жидкостей и определения различных характеристик их теплового движения

Оптические характеристики прозрачных сред тесно связаны с внутренним строением вещества среды. Взаимодействие световой волны с веществом (явления дисперсии и молекулярной рефракции) позволяют связать макроскопические характеристики вещества с размерами его молекул. Из курса оптики известна формула Лоренца:

где  — показатель преломления;

 — молярная масса;

 — плотность вещества;

 — молекулярная рефракция.

Опытные данные свидетельствуют о том, что молекулярная рефракция  для прозрачных жидкостей в 4 раза больше, чем поправка  в уравнении Ван-дер-Ваальса для другого фазового состояния вещества — газообразного. Уравнение состояния реального газа имеет вид:

(2.2)

где P – давление газа;

 — поправка на межмолекулярное взаимодействие;

 — поправка на собственный размер молекул.

При фазовом переходе от жидкой фазы к газообразной изменяется среднее расстояние между молекулами, но не размеры самих молекул. Если считать молекулы шариками с некоторым эффективным средним радиусом , то оказывается, что  равна учетверенному объему молекул в моле вещества, т. е:

(2.3)

где  — число Авогадро.

Таким образом:

(2.4)

Для оценки эффективного радиуса молекул справедлива формула:

(2.5)

Порядок выполнения работы

Табл. 2.1.

1. На рефрактометр наносится капелька воды, а затем спирта и определяются соответствующие показатели преломления n. Затем по формуле (2.1) вычисляется молекулярная рефракция , а затем по формуле (2.5) — эффективный радиус молекул  Экспериментальные данные и результаты расчетов заносятся в табл. 2.1.

 

Параметр
	998,2	790
	0,018	0,046
	1,358	1,389

 

2. При фазовом переходе от жидкой фазы к газообразной изменяется среднее расстояние между молекулами, но не размеры самих молекул. Этот факт позволяет по измеренным значениям радиусов молекул рассчитать среднюю длину свободного пробега , среднюю скорость хаотического движения молекул  и коэффициент диффузии D молекул водяного пара и спирта.

  Расчет выполняется по формулам:

где  — постоянная Больцмана;

 — термодинамическая температура, взять 293К;

 — атмосферное давление, взять 103075Па;

Вычисление производится для значений давления и температуры, соответствующих условиям проведенного опыта.

3. Расчет погрешностей в данной работе не производится, поскольку определение величин производится по оценочным (приблизительным) формулам.

Контрольные вопросы

1. На чём основан используемый способ измерения размеров молекул?

2. С какой точностью определяются размеры молекул?

3. Каков физический смысл величин

4. Как распределены молекулы по скоростям?

5. Можно ли до опыта предсказать, у какой молекулы воды или спирта эффективный радиус будет больше?

 

Лабораторная работа № 107