Физика молекул - Леше А.
Скачать (прямая ссылка):
кальную работу выхода и в соответствующих участках экрана будут видны светлые или темные пятна, увеличенные в соотношении радиус экрана к радиусу острия (около IO6 раз). На рис. 2.2 показано изображение молекул фталоцианина, которые обладают симметрией четвертого порядка. Разрешающая способность (около 1,5 нм) ограничена тангенциальной составляющей скорости вылетающих электронов. Точное объяснение полученного изображения затруднено вследствие изогнутой формы
*
Рис. 2.2. Молекула фталоцианина на вольфрамовом острие автоелектронного микроскопа. Видно, что молекула имеет симметрию четвертого порядка.
экрана. С помощью ионного проектора, в котором изображение формируется ионами, образовавшимися в непосредственной близости от металлического острия (ионы водорода или гелия) и вследствие большей массы имеющими меньшую длину волны де Бройля по сравнению с электронами, можно достичь разрешения 0,1 нм и обнаружить, например, атомные дефекты в решетке острия электрода. Из-за сложной техники (создание сверхвысокого вакуума, напыление молекул, требования чистоты острия) эти электронно-микроскопические методы практически не играют роли в исследованиях молекулярной физики.
Если необходимо определить объемы (или размеры) свободных молекул, то можно проследить, например, за отклонениями от уравнения состояния идеального газа (2.1) или наблюдать так называемое явление переноса. Все эти методы дают, конечно, очень приближенные значения величин; более детальные
сведения о пространственном расположении атомов в молекуле получают прежде всего из спектроскопических данных, на которых мы подробно остановимся в гл. 5. Чтобы получить представление о пространственном строении молекулы, необходима знать расстояние между атомами, т. е. в известной степени их расположение и радиус их действия. Обе величины зависят от вида связи. Тогда на каждый атом приходится область объема в форме шарового сегмента. Эта модель, впервые предложенная Стюартом (1931 г.), позволяет в свою очередь сделать вывод о возможных пространственных структурах, подвижностях и т. д. (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Некоторые характерные параметры молекул
Радиус действия rw, нм
С 0,145 F 0,125
H 0.105 Cl 0,155
О 0.122 Br 0,170
Si 0,17 I 0,180
P 0,155
Расстояние между ядрами, , HM
C-C 0,154 C-O 0,143
C=C 0,135 C=O 0.121
C=C 0,120 O=O 0,1204
C-H 0,109 F-F 0.13
Si-H 0,147 Cl-Cl 0,198
F-H 0,092 Br-Br 0,228
Cl-H 0,127 1-І 0,266
Br-H 0,141
I-H 0,160
2.2. Некоторые замечания о массе молекул
Согласно закону Авогадро для идеальных газов, в равных объемах при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. Отсюда следует, что массы молекул различных газов относятся как их плотности. Таким образом,. Можно легко определить средние относительные массы молекул или атомов путем измерения плотности газа, если соответствующее вещество представить в газообразной форме. Для абсолютного сравнения целесообразно ввести некоторое эталонное вещество. Ранее для этого использовался кислород или наиболее распространенный изотоп кислорода (химическая или физическая шкала масс). В 1965 г. комиссия, состоящая из представи-
телей международных союзов физиков и химиков, установила, что наиболее распространенный изотоп углерода (12C) должен иметь массовое число 12,00000 і).
Под количеством вещества 1 моль понимают такое количество, масса которого равна массовому числу соответствующего соединения, выраженному в граммах. Следовательно, 1 моль любого вещества независимо от агрегатного состояния содержит одинаковое число молекул. Эта величина, полученная после определения единицы относительной шкалы масс, получила название числа Авогадро Na 2).
Из этого определения следует, например,
А Г Л / 1,008 Г • МОЛЬ-1 С/Г, 1 * . .23 -1 ҐП
Na = Ан/тн = ¦¦ , • - п_24— = 6,022 • IU моль (2.2)
1,0/0 • IU г
(Лн — относительная атомная масса атома водорода в г/моль, тн — его масса в граммах). Число Авогадро связано также с другими величинами. Из статистики Больцмана или законов Фарадея для электролиза следуют соотношения
Na = RIU или Na = Fje (2.3/2.4)
(R — универсальная газовая постоянная, k — постоянная Больцмана, F — постоянная Фарадея, е — элементарный электрический заряд). Величины Лн, RnF устанавливаются определением или измеряются. Таким образом, достаточно определить одну из четырех величин: Na, тн, k или е, чтобы затем иметь возможность вычислить остальные. В течение последнего десятилетия такие измерения были проведены различными способами. Подставляя полученные значения в уравнения (2.2) — ^2.4), получают переопределенную систему, из которой можно вычислить наиболее вероятные величины и их погрешности.
Шкала масс была определена таким образом, что относительное массовое число примерно соответствовало числу структурных элементов ядра, т. е. количеству прогонов и нейтронов. Однако такое определение дает для всех элементов одно- или двузначное целое число. Поскольку масса атомного ядра не равна сумме масс структурных элементов, но зависит еще и от энергии связи ядра, а кроме того протоны и нейтроны имеют несколько различные массы, ее нельзя представить как целое число. С начала нынешнего столетия известно, что химические элементы содержат различные тяжелые атомы, которые хотя
