Концептуальные представления о различиях в строении твёрдых, жидких и газообразных тел. Роль давления и температуры в агрегатных переходах.

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, но они могут быть получены только в лабораторных условиях.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Переходы между агрегатными состояниями вещества в зависимости от температуры и давления. Диаграммы состояния. Различные агрегатные состояния вещества определяются, прежде всего, температурой и давлением: если давление мало, температура достаточно высока, то вещество будет находиться в газообразном состоянии, при низкой температуре вещество будет твердым, при умеренных (промежуточных) температурах — жидким. В соответствии с этим для количественной характеристики агрегатных состояний вещества часто используется очень наглядная фазовая диаграмма вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры (см. рисунок).

Диаграмма состоит из трех областей, отвечающих кристаллическому (К), жидкому (Ж) и газообразному (парообразному) (Г) состояниям. Эти области отделены друг от друга кривыми: плавление  кристаллизация Ob, кипение  конденсация Ok и сублимация  десублимация Оа. Точка пересечения этих кривых О называется тройной точкой: при Р = Р₀ и Т = Т₀ вещество может сосуществовать в трех агрегатных состояниях, причем жидкость и твердое вещество имеют одинаковое давление пара. Координаты Р = Р₀ и T = Т₀ тройной точки — это единственная пара значений давления и температуры, при которых одновременно могут сосуществовать три фазы. Пример: на диаграмме состояния воды этой точке соответствуют давление 4,58мм рт. ст. (0,61 кПа) и температура 273 К (0 °С).

При температуре выше критической (на диаграмме ей соответствует точка k) кинетическая энергия частиц становится больше энергии их взаимодействия, и поэтому вещество существует в газообразном состоянии при любом давлении.

На рисунке видно, что при давлении, большем Р₀, нагревание твердого вещества приводит к его плавлению (при Р₁ плавление происходит в точке d).После того как все вещество расплавится, дальнейшее повышение давления приводит к повышению соответствующих температур кипения (при давлении Р₁ кипение жидкости происходит в точке е при температуре T₁). При давлении, меньшем Р₀ (при Р₂)нагревание твердого вещества приводит к переходу из кристаллического состояния непосредственно в газообразное (в точке g), т. е. к сублимации. Для большинства веществ Р₀ < Р_{насыщ. паров}. Лишь для немногих веществ р₀ > Р_{насыщ. паров}, и нагревание кристаллов приводит к их сублимации — примерами таких веществ являются иод и “ сухой лед” — твердый диоксид углерода.

Концепция атомизма от Демокрита до наших дней. Планетарная модель атома Резерфорда. Постулаты Бора.

В противоположность элеатам Демокрит учил, что реально существует не только бытие, но и небытие. Бытие - это атомы, небытие - пустота, пустое пространство. Пустота неподвижна и беспредельна; она не оказывает никакого влияния на находящиеся в ней тела, на бытие.

Атом - неделимая, совершенно плотная, непроницаемая, не-воспринимаемая чувствами (вследствие своей, как правило, малой величины), самостоятельная частица вещества, атом неделим, вечен, неизменен. Атомы никогда не возникают и никогда не погибают. Они бывают самой разнообразной формы - шарообразные, угловатые, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и т.п. Атомы различны по размерам. Они невидимы, их можно только мыслить. В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются друг с другом и сцепливаются, получаются вещи. Изменяется положение атомов – изменяется вещь.

В 17—18 вв., когда развилась механика, Атомизм приобрёл механистический характер; этот вид Атомизм был несколько более конкретен, чем натурфилософия древних, но всё же ещё в большей мере оставался абстрактным и мало связанным с опытной наукой. Атомам приписывались теперь чисто механические свойства. Представители «механики контакта» считали, что причиной соединения атомов является фигура, геометрическая форма, наделяли атомы крючочками, посредством которых атомы якобы сцепляются между собой; иногда атомы изображались в виде зубчатых колесиков, зубцы которых подходят друг к другу в случае растворения тел или не подходят в случае их нерастворения (М. В. Ломоносов). Представители «механики сил» (динамики) объясняли взаимодействие атомов наподобие гравитационного тяготения. Поэтому здесь играл роль только вес частиц, а не их геометрическая форма (она принималась шаровидной, как у небесных тел). От динамики И. Ньютона берёт начало особая ветвь Атомизм (хорватский физик Р. И. Бошкович), в которой сочетается идея Г. Лейбница о непространственных монадах (в виде геометрических точек — центров сил) с понятием «силы» (Ньютон). Этот динамический Атомизм явился предвосхищением современного Атомизм, в котором неразрывно сочетается представление о дискретности материи с идеей неразрывности материи и движения (или «силы» в прежнем понимании). Исходя из взглядов Ньютона, Дж. Дальтон (1803) создал химический Атомизм, способный теоретически обобщать и объяснять наблюдённые химические факты и предвидеть явления, ещё не обнаруженные на опыте. Дальтон наделил атомы «атомным весом», т. е. специфической массой, характерной для каждого химического элемента. В «атомном весе» нашла своё выражение мера химического элемента, представляющая собой единство его качественной (химическая индивидуальность) и количественной (значение «атомного веса») сторон.
После открытия электрона (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (Атомизм Эйнштейн, 1905) Атомизм принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния

 

Признание единства строения макро и микрокосмоса открывало путь к перенесению на атомы таких механических, физических или химических свойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретически предугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел, образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическое заключение на опыте.

Модель атома Резерфорда (Ядерная или Планетарная модель атома)

Рассеяние отдельных α-частиц на большие углы Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома (атомном ядре) в области значительно меньших размеров. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию α-частиц нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Радиус круговой орбиты самого далекого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель атома была названа планетарной моделью.

Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц.

Так как большая часть пространства в атоме между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, быстро заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

При столкновениях с отдельными электронами быстрые заряженные частицы испытывают рассеяние на очень большие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда быстрая заряженная частица пролетает на очень близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием силы электрического поля атомного ядра может произойти рассеяние заряженной частицы на любой угол до 180°.

↑ На начало страницы

Квантовые постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) обосновал планетарную модель атома Резерфорда. Свои представления об особых свойствах атомов (устойчивости атома и спектральных закономерностей его излучения) Бор сформулировал в виде постулатов следующего содержания:

1. Электрон в атоме можеь находиться только в определенных устойчивых состояниях, называемых стационарными или квантовыми, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.

Момент импульса электрона, движущегося по стационарной орбите, имеет квантовые значения, удовлетворяющие условию: m_eυr = nħ (n = 1,2,3,…), где n – главное квантовое число, m_e – масса покоя электрона, υ – скорость электрона, r – радиус орбиты, ħ – постоянная Планка.

1. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии Δ E = hν.
   Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение кванта энергии: hν = E_n - E_m, где n и m – номера состояний.

Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные стационарные состояния атома называются возбужденными.