Физика молекул - Леше А.
Скачать (прямая ссылка):
7
Молекулярная физика покоится на трех «китах».
1. Накопленный столетиями опыт химии, основанный на наблюдениях за превращениями вещества, — это опыт анализа и синтеза. Большим достижением’многих поколений можно считать такое упорядочение огромного многообразия явлений, которое сделало его обозримым и помогло установить обобщающие правила, позволившие построить теоретические модели.
2. Успехи квантовой механики привели к убеждению, что с помощью этой теории все молекулярно-физические явления объяснимы в указанных выше пределах.
3. Физические методы измерений служат не только исходным пунктом и средством подтверждения теоретических положений, они прежде всего необходимы, чтобы охватить многообразие и сложность проблем. За последние годы к ним добавились многие спектроскопические и другие методы, которые имеют также большое практическое значение для химиков. Если принять во внимание, что истоки большинства методов лежат в совершенно других областях, то обнаруживается широта экспериментальной базы молекулярной физики.
Развитие этих направлений привело к накоплению экспериментальных данных, обработка которых потребовала развития новых методов измерений. Уже ранее вошли в употребление перфокарты (изобретенные Холлеритом) и другие методы накопления данных (запоминающие механические устройства). Электронные методы обработки данных еще более расширили возможности исследований.
Основную задачу теории молекулярной связи или задачу многих тел можно представить в виде вопроса: всегда ли все свойства молекул объясняются взаимодействием отдельных электронов и ядер или следует исходить из других закономерностей, характеризующих, например, группы атомов.
Расшифровка вращательно-колебательных, ЯМР- и других спектров оказывается в этом смысле весьма полезной, так как определенным группам атомов можно сопоставлять полосы или смещения линий. Многочастичную задачу, вероятно, можно рассмотреть и с помощью других теоретических подходов.
С ростом применения высокополимерных соединений и с развитием молекулярной биологии в круг исследований стали попадать молекулы все больших размеров. При этом важную роль начинают играть совершенно новые процессы, такие, как разветвления, свертывание в клубок, возникновение субструктур, переходы из аморфного состояния в кристаллическое и др., которые становятся все более похожими на фазовые переходы. В короткой вводной главе мы не имеем возможности на этом Остановиться. Ограничимся рассмотрением «нормальных» молекул, под которыми будем подразумевать, например, H2O, CgHs
и т. п., т. е. вещества с молекулярным весом до 2000 (не считая это число строгим пределом).
Как было отмечено ранее, свойства конденсированных фаз зависят от свойств молекул; мы будем использовать это, чтобы получить сведения о структуре и свойствах молекул, не останавливаясь, однако, подробно на общей теории жидкостей и твердых тел.
До сих пор мы молчаливо предполагали, что читателю известен смысл понятия «молекула» (от латинского molecula — малая масса). Молекулу определяют как насыщенный агрегат определенного стехиометрического состава, построенный из валентно связанных атомов. Валентной связью не совсем строго обозначают химическую, т. е. насыщенную связь. Мы ограничимся такой формулировкой, пока не будут более строго обсуждены такие понятия, как, например, химическая связь. Поэтому мы здесь больше не будем останавливаться на вопросах определений.
1.2. Некоторые исторические замечания
До XIX в. физика была наукой, которая наблюдала явления природы и устанавливала взаимосвязь между ними. Лишь в начале столетия на первый план стали выдвигаться вопросы о микроскопической основе этих явлений, о структуре участвующих в них частиц. Поэтому можно сказать, что о молекулярной физике стали говорить лет 60 назад, с тех пор как начали систематически анализировать структуру и взаимодействие молекул. К этому времени само существование молекул уже считалось твердо установленным.
Если не считать чисто философских предположений древних
о мельчайших частицах (Демокрит, Левкипп), то первые представления о молекулах относятся к наблюдениям количественных взаимосвязей в химии. Между 1740 и 1750 гг. русский ученый М. В. Ломоносов в своих трудах по физической химии подчеркивал важность измерений. В 1808 г. Дальтон сформулировал закон кратных отношений, согласно которому химические элементы реагируют друг с другом только в определенных весовых соотношениях. Простое объяснение этого экспериментального факта предположением, что частицы элементов (атомы) объединяются в новое образование, молекулу, многие рассматривали в то время лишь как рабочую гипотезу, даже когда в 1811 г. Авогадро и в 1814 г. Ампер обнаружили, что в равных объемах при одних и тех же значениях давления и температуры должно содержаться одинаковое число молекул, независимо от вида газа. И с этого времени научный мир постепенно осознавал разницу между молекулами и атомами.
9
В статистической термодинамике была принята молекулярная гипотеза, при этом в 1865 г. Лошмидту впервые удалось правильно оценить по порядку величины диаметр молекул. Одновременно с этим получили р'азвитие представления Бутлерова, Кекуле, Купера, Франкланда и др. об атомном строении молекул. Были развиты первые модели, позволившие упорядочить результаты большого числа наблюдений над химическими реакциями. Для правильной оценки этих работ следует иметь в виду, что лишь после 1900 г. благодаря работам Резерфорда и интерпретации атомных спектров на основе постулатов Бора сложились современные представления о строении свободного атома. Поэтому только между 1910 и 1920 гг. могли возникнуть модели химической связи, в частности, благодаря работам Льюиса и Косселя о гетерополярной (ковалентной) и Льюиса
