-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 2. Îñíîâû ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè § 2.1. Îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèèÌû íà÷íåì ñ îñíîâíûõ ïîëîæåíèé ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè. Îíè âàì ÷àñòè÷íî èçâåñòíû èç ïðåäøåñòâóþùåãî êóðñà ôèçèêè. Çàòåì ïîçíàêîìèìñÿ ñ êîëè÷åñòâåííîé òåîðèåé ñàìîãî ïðîñòîãî ìàêðîñêîïè÷åñêîãî òåëà — ãàçà. «Åñëè áû â ðåçóëüòàòå êàêîé-ëèáî ìèðîâîé êàòàñòðîôû âñå íàêîïëåííûå íàó÷íûå çíàíèÿ îêàçàëèñü áû óíè÷òîæåííûìè è ê ãðÿäóùèì ïîêîëåíèÿì æèâûõ ñóùåñòâ ïåðåøëà áû òîëüêî îäíà ôðàçà, òî êàêîå óòâåðæäåíèå, ñîñòàâëåííîå èç íàèìåíüøåãî êîëè÷åñòâà ñëîâ, ïðèíåñëî áû íàèáîëüøóþ èíôîðìàöèþ? ß ñ÷èòàþ, ÷òî ýòî — àòîìíàÿ ãèïîòåçà (ìîæåòå íàçûâàòü åå íå ãèïîòåçîé, à ôàêòîì, íî ýòî íè÷åãî íå ìåíÿåò): âñå òåëà ñîñòîÿò èç àòîìîâ — ìàëåíüêèõ òåëåö, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ â áåñïðåðûâíîì äâèæåíèè, ïðèòÿãèâàþòñÿ íà íåáîëüøîì ðàññòîÿíèè, íî îòòàëêèâàþòñÿ, åñëè îäíî èç íèõ ïëîòíåå ïðèæàòü ê äðóãîìó.  îäíîé ýòîé ôðàçå, êàê âû óáåäèòåñü, ñîäåðæèòñÿ íåâåðîÿòíîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè î ìèðå, ñòîèò ëèøü ïðèëîæèòü ê íåé íåìíîãî âîîáðàæåíèÿ è ÷óòü-÷óòü ñîîáðàæåíèÿ». Ïðèâåäåííîå íàìè âûñêàçûâàíèå ïðèíàäëåæèò âûäàþùåìóñÿ àìåðèêàíñêîìó ôèçèêó Ð. Ôåéíìàíó. Èòàê, â îñíîâå ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè ëåæàò òðè óòâåðæäåíèÿ, êàæäîå èç êîòîðûõ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñòðîãî äîêàçàíî ýêñïåðèìåíòàëüíî: âåùåñòâî ñîñòîèò èç ÷àñòèö; ýòè ÷àñòèöû õàîòè÷åñêè äâèæóòñÿ; ÷àñòèöû âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì. Äîêàçàòåëüñòâà ñóùåñòâîâàíèÿ ìîëåêóëÏðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî âñå òåëà ñîñòîÿò èç îòäåëüíûõ ÷àñòèö è, ñëåäîâàòåëüíî, íè îäíî òåëî íåëüçÿ ðàçäåëèòü íà ñêîëü óãîäíî ìàëûå ÷àñòè, âûñêàçûâàëîñü Äåìîêðèòîì è äðóãèìè äðåâíåãðå÷åñêèìè ìûñëèòåëÿìè åùå çà 2500 ëåò äî íàøåãî âðåìåíè. Êà÷åñòâåííîå îáúÿñíåíèå ìíîãèõ ÿâëåíèé ñ ïîìîùüþ ìîëåêóëÿðíîé òåîðèè áûëî äàíî â XVIII â. Îäíàêî áåññïîðíûå äîêàçàòåëüñòâà ñóùåñòâîâàíèÿ ìîëåêóë è àòîìîâ óäàëîñü ïîëó÷èòü òîëüêî â íà÷àëå XX â. Äåëî â òîì, ÷òî àòîìû î÷åíü ìàëû. Îíè íå âèäíû íå òîëüêî ïðîñòûì ãëàçîì, íî è â îáû÷íûé îïòè÷åñêèé ìèêðîñêîï. Èìåííî ïîýòîìó âñå òåëà êàæóòñÿ íàì ñïëîøíûìè. Ïåðâîå óáåäèòåëüíîå, õîòÿ è êîñâåííîå, äîêàçàòåëüñòâî ñóùåñòâîâàíèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë áûëî ïîëó÷åíî àíãëèéñêèì õèìèêîì Ä. Äàëüòîíîì (1766—1844). Äàëüòîí îáúÿñíèë çàêîí ïîñòîÿííûõ îòíîøåíèé. Ñîãëàñíî ýòîìó çàêîíó ïðè îáðàçîâàíèè ëþáûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ìàññû ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ íàõîäÿòñÿ â ñòðîãî îïðåäåëåííûõ îòíîøåíèÿõ. Òàê, íàïðèìåð, ïðè îáðàçîâàíèè âîäû èç âîäîðîäà è êèñëîðîäà îòíîøåíèå ìàññ ïðîðåàãèðîâàâøèõ ãàçîâ âîäîðîäà è êèñëîðîäà âñåãäà ðàâíî 1:8. Ýòîò ôàêò ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè äîïóñòèòü, ÷òî ïðè îáðàçîâàíèè ìåëü÷àéøåé ÷àñòè÷êè âîäû — ìîëåêóëû — íåêîòîðîå îïðåäåëåííîå ÷èñëî àòîìîâ âîäîðîäà ñîåäèíÿåòñÿ ñ îïðåäåëåííûì ÷èñëîì àòîìîâ êèñëîðîäà. Ìîëåêóëà âîäû ñîñòîèò èç äâóõ àòîìîâ âîäîðîäà è îäíîãî àòîìà êèñëîðîäà. Ïîýòîìó îòíîøåíèå ìàññ âîäîðîäà è êèñëîðîäà ïðè îáðàçîâàíèè âîäû äîëæíî áûòü ðàâíî îòíîøåíèþ óäâîåííîé ìàññû àòîìà âîäîðîäà ê ìàññå àòîìà êèñëîðîäà. Ýòî îòíîøåíèå íå ìîæåò èçìåíèòüñÿ íè ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ. Ìû íå áóäåì ïåðå÷èñëÿòü âñå èçâåñòíûå ñåé÷àñ äîêàçàòåëüñòâà ñóùåñòâîâàíèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë.  ýòîì íåò íèêàêîé íåîáõîäèìîñòè. Ñîâðåìåííûå ïðèáîðû ïîçâîëÿþò ðàññìàòðèâàòü îòäåëüíûå àòîìû íà ïîâåðõíîñòÿõ òåë è èçìåðÿòü èõ ðàçìåðû. Ñàìûé ñîâåðøåííûé èç íèõ, íàçûâàåìûé òóííåëüíûì ìèêðîñêîïîì, áûë ñîçäàí â ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ XX â. ñîòðóäíèêàìè çíàìåíèòîé êîìïüþòåðíîé ôèðìû IBM (ã. Öþðèõ) Ã. Áèííèíãîì è Ã. Ðîðåðîì, óäîñòîåííûìè çà åãî èçîáðåòåíèå Íîáåëåâñêîé ïðåìèè. Òóííåëüíûé ìèêðîñêîï
Ñàìó èäåþ òóííåëüíîãî ìèêðîñêîïà ïîíÿòü íå î÷åíü ñëîæíî. Èçãîòîâëÿåòñÿ ÷ðåçâû÷àéíî òîíêîå âîëüôðàìîâîå îñòðèå- çîíä (ðèñ. 2.1), íàñòîëüêî òîíêîå, ÷òî îíî çàêàí÷èâàåòñÿ îäíèì èëè íåñêîëüêèìè àòîìàìè. Îñòðèå ïî÷òè âïëîòíóþ ïîäâîäèòñÿ ê ïîâåðõíîñòè ïðîâîäÿùåãî ýëåêòðè÷åñêèé òîê âåùåñòâà. Ïðè ýòîì ýëåêòðîííûå îáëàêà àòîìà íà êîí÷èêå îñòðèÿ è áëèæàéøåãî ê íåìó àòîìà ïîâåðõíîñòè íà÷íóò ïåðåêðûâàòüñÿ. Åñëè ïðèëîæèòü íåáîëüøîå (ïîðÿäêà 0,01 Â) íàïðÿæåíèå ê ïîâåðõíîñòè è îñòðèþ, òî â çàçîðå îñòðèå — ïîâåðõíîñòü ïîÿâèòñÿ ñëàáûé òîê — ïîðÿäêà ìèëëèàðäíûõ äîëåé àìïåðà. Ýòîò òîê íàçûâàåòñÿ òóííåëüíûì. (Åãî ïîÿâëåíèå îáúÿñíÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ êâàíòîâîãî ýôôåêòà, íàçûâàåìîãî òóííåëüíûì.) Òóííåëüíûé òîê ÷ðåçâû÷àéíî ñèëüíî çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó çîíäîì è ïîâåðõíîñòüþ. Ïðè èçìåíåíèè ðàññòîÿíèÿ íà 2 • 1-8 ñì (ïðèìåðíî íà ðàçìåð àòîìà) ñèëà òîêà èçìåíÿåòñÿ â òûñÿ÷è ðàç. Åñëè îñòðèå ïåðåìåùàòü âäîëü ïîâåðõíîñòè, òî ñèëà òîêà äîëæíà ìåíÿòüñÿ â î÷åíü øèðîêèõ ïðåäåëàõ, óâåëè÷èâàÿñü ïðè ïðîõîæäåíèè çîíäà íàä àòîìîì è óìåíüøàÿñü äî íè÷òîæíûõ çíà÷åíèé, êîãäà çîíä çàâèñàåò íàä ïðîìåæóòêîì ìåæäó àòîìàìè ïîâåðõíîñòè. Ýòî î÷åíü íåóäîáíî äëÿ ðåãèñòðèðóþùåé òîê ñèñòåìû, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, ÷òî îñòðèå ìîæåò ïðîñòî çàöåïèòüñÿ çà íåðîâíîñòü íåäîñòàòî÷íî òùàòåëüíî îòøëèôîâàííîé ïîâåðõíîñòè. ×òîáû èçáåæàòü ýòîãî, èñïîëüçóþò ñëåäóþùèé ïðèåì: ñïåöèàëüíîå óñòðîéñòâî ïåðåìåùàåò çîíä ïî âåðòèêàëè òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïðîòåêàþùèé ÷åðåç ïðèáîð òîê îñòàâàëñÿ íåèçìåííûì. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ñ ïîìîùüþ óñòðîéñòâà îáðàòíîé ñâÿçè, êîòîðîå óëàâëèâàåò èçìåíåíèå ñèëû òîêà è äàåò êîìàíäó ïðèáëèçèòü çîíä ê ïîâåðõíîñòè èëè óäàëèòü îò íåå. Îñíîâíàÿ ïðîáëåìà ñîñòîèò â òîì, ÷òîáû çîíä ïåðåìåùàòü êîíòðîëèðóåìûì îáðàçîì íà ðàññòîÿíèÿ â ìèëëèàðäíûå äîëè ìåòðà (~1 íì). Ýòî äîñòèãàåòñÿ ñ ïîìîùüþ òàê íàçûâàåìîãî ïüåçîýëåêòðè÷åñêîãî ìàíèïóëÿòîðà. Íåêîòîðûå êðèñòàëëû, íàïðèìåð êâàðö, è ñïåöèàëüíûå êåðàìèêè ñëåãêà ìåíÿþò ñâîè ðàçìåðû ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.  ýòîì ñîñòîèò ÿâëåíèå ïüåçîýëåêòðè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ýëåêòðè÷åñêèå ïîëÿ ñîçäàþòñÿ òîíêèìè ìåòàëëè÷åñêèìè ïëåíêàìè, íàïûëÿåìûìè íà ïîâåðõíîñòü êåðàìèêè. Ïðè èçìåíåíèè íàïðÿæåíèÿ íà äåñÿòûå äîëè âîëüòà ðàçìåðû êåðàìè÷åñêèõ ñòåðæíåé ìåíÿþòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî íà ðàçìåð àòîìà.
|
|
|