Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Известно, что кинетическая энергия движения E вдоль каждой из степеней свободы определяется скоростью движения V и массой части-VfrvE = IHmvi.
Между молекулами и атомами существуют силы взаимодействия, величина которых зависит от расстояния. Как следствие возникает и потенциальная энергия взаимодействия U (г), также зависящая от расстояния г между ними. В общих чертах потенциальную энергию взаимодействия можно охарактеризовать зависимостью, представленной на рис. I. На расстоянии, большем г0, преобладает (рис. 1, в) энергия притяжения, при сближении на расстояние, меньшее, чем г0, возникают силы отталкивания, которые очень быстро увеличиваются по мере сближения. Таким образом, если частицы находятся на далеких расстояниях, они почти не взаимодействуют между собой (энергией взаимодействия можно пренебречь). При сближении частицы могут соединяться, образуя простую молекулу. Однако, если скорости сближения очень велики, так, что E^U, расстояние между частицами может стать меньше т0, и тогда частицы отталкиваются по закону столкновения упругих шаров. В точке T0 силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания и потенциальная энергия взаимодействия становится минимальной (рис. 1, б).
Соотношение кинетической энергии поступательного движения и потенциальной энергии взаимодействия и определяет характер агрегатного состояния вещества.
7
Агрегатные состояния вещества
В газообразном состоянии энергия поступательного движения частиц намного больше потенциальной энергии их взаимодействия. Поэтому атомы (молекулы) газа находятся все время в состоянии поступательного движения, и это определяет основное свойство газа - занимать любой предоставленный ему объем. Однако такой подход будет несколько примитивным. Он не затрагивает очень важные особенности строения вещества, находящегося в газообразном состоянии. Действительно, основная масса частиц газа находится в непрерывном поступательном движении, сталкиваясь между собой и со стенками сосуда по законам столкновения упругих шаров. Это значит, что при столкновении кинетическая энергия сохраняется и не переходит в другие виды энергии. Ho при этом следует учесть одну деталь строения газов - это то, что движение частиц хаотично. Они не только сталкиваются случайно, но и энергия частиц неодинакова. Среди огромной массы частиц имеются частицы с очень большими энергиями и частицы, у которых кинетическая энергия поступательного движения равна нулю. При одинаковой массе частиц это значит, что некоторая их часть в данный момент времени пребывает в состоянии покоя, либо движется очень медленно. Это, конечно, не одни и те же частицы. В следующий момент столкновение с другими частицами приведет к тому, что данная покоящаяся частица начнет двигаться, а совсем другие остановятся.
На первый взгляд, это маловажный факт. В действительности же это один из важнейших законов природы, который отражает сложнейшие особенности поведения веществ в тех или иных условиях существования. Одной из главных особенностей хаотического движения частиц газа является то, что, кроме чисто поступательной энергии, здесь все время происходит процесс превращения некоторой части потенциальной энергии взаимодействия в кинетическую энергию движения.
Одной из характеристик хаотического движения является распределение частиц по уровню кинетической энергии (распределение Больцмана) или по скоростям (распределение Максвелла). Наибольшее количество U1 молекул обладают некоторой средней энергией E (рис. 2), Ho существует еще и довольно большое количество молекул, которые обладают и очень малой энергией, и очень большой. Поэтому известные макроскопические параметры газа (давление и температуру) приходится связывать со средними значениями кинетической энергии его молекул. Так, давление P является усредненным результатом многочисленных ударов молекул о стенки сосуда. Его можно выразить как функцию среднего значения кинетической энергии поступательного движения 8
Рис. 2. Распределение атомов (молекул) газа п по п уровню кинетической энергии E
П,
E E
молекул Е: P - 1/3nmV2 = 2/3пЕ*, где п - число частиц в единице объема; т - масса каждой частицы; v - средняя квадратичная скорость поступательного движения.
Зная уравнение Клапейрона-Менделеева PV = RT (V - объем, занимаемый газом; R - универсальная газовая постоянная), можно выразить одну из важнейших характеристик (температуру Т) как функцию среднего значения кинетической энергии поступательного движения частиц: T = 2/3Е.
Тогда основное уравнение состояния определится как P = пкТ, где к = R/N0 (N0 - число Авогадро).
Это важнейшее соотношение кинетической теории, связывающее давление и температуру. Из изложенного следует, что температура -это усредненная величина, которая теряет смысл, если система состоит из очень малого числа молекул. Это не что иное, как количественная мера энергии теплового движения огромного числа частиц, из которого состоит тело. Нужно отметить, что большое число частиц и их огромная скорость движения обеспечивают быстрое установление одинаковых давления и температуры в различных точках системы. Однако, кроме микроскопического движения (отдельных молекул), в системе наблюдаются и макроскопические отклонения от средней величины параметров системы. Хорошо известны отклонения от средних плотности, температуры и давления в различных малых объемах большей системы. Такие сравнительно небольшие отклонения называют флуктуациями. Они характерны тем, что имеют небольшой период существования. Так, если в данном микрообъеме в данный момент времени зафиксировано снижение температуры по сравнению со средней температурой всего объема, то в следующий момент в этом же микрообъеме произойдет такое же «примерно отклонение, HO уже в сторону увеличения. Это явление неотъемлемо от особенностей поведения тел, состоя-
