Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 93. р—Г-диаграмма равновесных состояний вещества
234
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
щие атомам гелия волновые свойства и определяют поведение гелия при низких температурах. У всех других одноатомных веществ деб-ройлевская длина волны настолько мала по сравнению с межатомным расстоянием, что их атомы можно рассматривать как классические частицы вплоть до очень низких температур, при которых происходит кристаллизация.
Говорят, что при низких температурах гелий представляет собой квантовую жидкость. Свойства квантовых жидкостей, образованных различными изотопами |Не и ^Не, оказываются совершенно различными. Это объясняется различием статистических свойств атомов |Не и *Не, подчиняющихся квантовым закономерностям.
Испарение твердого тела. Диаграмма состояний позволяет сразу ответить на вопрос, что произойдет с веществом при его нагревании или сжатии. Если, например, вещество в газообразном состоянии, изображаемом точкой С на рис. 93, подвергнуть изотермическому сжатию, то происходящий с ним процесс изобразится вертикальной штриховой линией. Видно, что при давлении р{ газ затвердеет, а образовавшийся кристалл при давлении рг расплавится.
Из диаграммы существования фаз видно, что кристалл при изобарическом нагревании не обязательно должен проходить через стадию жидкого состояния для того, чтобы превратиться в газ. Если давление выше тройной точки, то при нагревании кристалл действительно сначала расплавится, а получившаяся жидкость затем испарится. Но при давлении ниже тройной точки кристалл при нагревании сразу превращается в пар. Такой переход называется сублимацией или возгонкой. Именно так ведет себя твердая углекислота при нормальном атмосферном давлении, так как ее тройной точке соответствует давление 5,1 атм.
Правило фаз Гиббса. Итак, в однокомпонентной системе, т. е. в веществе определенного химического состава, все три фазы могут находиться в равновесии. В многокомпонентной системе в равновесии может одновременно находиться большее число фаз. Как было установлено Гиббсом, в системе, состоящей из N компонент, может находиться одновременно в равновесии не больше, чем N + 2 фаз. Это максимальное число фаз сосуществует в единственном состоянии. Меньшее число фаз могут сосуществовать вдоль кривых равновесия, т. е. при разных давлениях и температурах.
• Как с помощью семейства экспериментальных изотерм получить кривую равновесия пар—жидкость на р—Г-диаграмме?
• Какие экспериментальные факты свидетельствуют об отсутствии принципиальной разницы между жидким и газообразным состояниями веще-
§ 27. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
235
ства, несмотря на существование четкой границы между ними — поверхности жидкости?
• Каким образом можно перевести жидкость в газ, минуя расслоение вещества на фазы?
• Изобразите качественную картину кривой равновесия жидкой и газообразной фаз для многокомпонентной системы, например для воздуха.
• Как ведет себя граница раздела жидкости и газа в запаянной ампуле при переходе через критическую температуру, если объем ампулы больше или меньше критического объема вещества, находящегося внутри ампулы?
• Что происходит с поверхностным натяжением по мере приближения температуры к критической?
• Почему гелий при нормальном атмосферном давлении остается жидким вплоть до самых низких температур?
• Почему три фазы некоторого количества вещества могут находиться в равновесии между собой только в тройной точке, т. е. при строго определенных значениях температуры, давления и объема?
• При каких условиях кристалл при повышении температуры превращается в газ, минуя жидкую фазу?
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
§ 28. Излучение света атомами
В предыдущей главе основы статистической механики применялись для описания наблюдаемых свойств таких макроскопических систем многих частиц, где каждая из частиц подчинялась законам классической механики. В данной главе будут рассматриваться макроскопические системы, состоящие из частиц, подчиняющихся квантовым закономерностям.
Квантовая механика позволяет только на основании известного заряда атомного ядра, а тем самым и числа электронов, найти стационарные состояния электронов в свободном атоме и рассчитать многие свойства атомов, в том числе их оптические спектры. Кроме того, на основе квантовой механики можно рассчитать изменение стационарных состояний атома под действием внешних электрических и магнитных полей. Экспериментально эти изменения проявляются в спектрах испускания и поглощения света атомами. Изменения спектра под действием внешнего магнитного поля (явление Зеемана) и под действием электрического поля (явление Штарка) являются эффективными средствами изучения структуры вещества.
Размер атома и длина волны. Излучаемый атомом свет имеет длину волны, составляющую несколько тысяч ангстрем, что на три порядка превосходит размер атома. Покажем, что большая длина волны излучения является прямым следствием малости постоянной тонкой структуры а = e2/hc, характеризующей силу взаимодействия электрона с электромагнитным полем.
