"Физика. Базовый уровень", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.
Молекулы и атомы взаимодействуют друг с другом благодаря силам электромагнитной природы. На сравнительно больших расстояниях заметнее притяжение, а при сильном сближении резко возрастает отталкивание. Поэтому частицы не разлетаются сами по себе и не могут бесконечно сближаться. Расстояние, на котором силы уравновешены, называют равновесным. Понимание этого взаимодействия помогает объяснить, почему вещества сохраняют объём и сопротивляются сжатию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Межмолекулярное взаимодействие — взаимное действие молекул друг на друга. Оно проявляется в силах притяжения и отталкивания, которые могут действовать одновременно. Этот термин нужен, чтобы описывать, как расстояние между частицами влияет на свойства вещества. В зависимости от расстояния одна из составляющих может преобладать.
Силы притяжения — составляющая взаимодействия молекул, которая преобладает на сравнительно больших расстояниях между ними. Она стремится сблизить частицы, если их уже не удерживает другое воздействие. Слово «сравнительно» здесь важно: при очень большом расстоянии взаимодействие становится слабым. Понятие притяжения помогает объяснить, почему молекулы не разлетаются сами по себе.
Силы отталкивания — составляющая взаимодействия, резко возрастающая при сильном сближении молекул. Она направлена так, чтобы увеличить расстояние между частицами. Поэтому при сжатии вещества отталкивание мешает молекулам сближаться ещё сильнее. Этот термин позволяет понять, почему вещество сопротивляется уменьшению объёма.
Равновесное расстояние — расстояние между молекулами, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Результирующая сила на таком расстоянии равна нулю, но сами силы не исчезают. Если расстояние изменится, силы будут стремиться вернуть систему к равновесию. Это понятие помогает описать устойчивое взаимное расположение частиц.
Атомы и молекулы состоят из заряженных частиц, прежде всего электронов и ядер. Заряды взаимодействуют электромагнитно, поэтому межмолекулярные силы имеют ту же природу. Взаимное расположение этих зарядов определяет, будет ли преобладать притяжение или отталкивание. Так строение вещества становится причиной наблюдаемого взаимодействия между его частицами.
У каждой молекулы есть конечный размер, и при достаточно большом промежутке между молекулами их взаимное влияние мало. Чем дальше частицы друг от друга, тем слабее взаимодействуют их заряженные составляющие. Поэтому в разреженном газе, где расстояния значительно превышают размеры молекул, столкновения и взаимодействие между ними могут быть редкими. При сближении влияние соседних частиц становится существенным.
Когда молекулы сближаются на умеренное расстояние, расположение зарядов приводит к преобладанию притяжения. При ещё большем сближении электронные оболочки атомов начинают заметно перекрываться, а отрицательно заряженные электроны отталкиваются. В результате сила отталкивания резко увеличивается. Поэтому взаимодействие не сводится только к притяжению: его характер меняется по мере сближения частиц.
На равновесном расстоянии притяжение и отталкивание компенсируют друг друга. Если молекулы немного раздвинуть, притяжение будет стремиться уменьшить расстояние; если сблизить — усилившееся отталкивание будет стремиться его увеличить. Такое возвращающее действие объясняет устойчивость взаимного расположения частиц. Равновесие не означает, что молекулы неподвижны: оно описывает баланс сил для данного расстояния.
Вещество сохраняет объём, потому что частицы удерживаются взаимодействием и не разлетаются сами по себе. При попытке сжать его расстояния между молекулами уменьшаются, а отталкивание резко усиливается. Оно препятствует дальнейшему сближению и создаёт сопротивление сжатию. Таким образом, макроскопические свойства вещества связаны с силами между составляющими его частицами.
| Ситуация | Притяжение | Отталкивание | Результат |
|---|---|---|---|
| Молекулы далеко друг от друга | Очень слабое | Очень слабое | Взаимодействие практически несущественно |
| Расстояние больше равновесного | Преобладает и стремится сблизить молекулы | Слабее притяжения | Результирующая сила направлена на сближение |
| Равновесное расстояние | Уравновешивает отталкивание | Уравновешивает притяжение | Результирующая сила равна нулю |
| Расстояние меньше равновесного | Не преобладает | Резко возрастает и преобладает | Результирующая сила направлена на раздвижение молекул |
Сначала определите, как рассматриваемое расстояние соотносится с равновесным, а затем сравните силы. Стрелку результирующей силы мысленно направляйте в сторону преобладающей составляющей. Для очень удалённых молекул учитывайте, что обе силы практически несущественны.
Молекулы газа находятся на расстояниях, значительно превышающих их размеры. Можно ли считать их взаимодействие существенным? Сравним масштаб промежутка между частицами с масштабом самих молекул. Это позволит понять, насколько сильно молекулы влияют друг на друга.
Определяем условие: расстояния между молекулами намного больше их размеров. Значит, частицы находятся далеко друг от друга. Их взаимное влияние должно быть слабым.
Учитываем зависимость силы от расстояния: при удалении взаимодействие быстро ослабевает. Поэтому притяжение и отталкивание в данном случае малы. Для описания такого газа ими часто можно пренебречь.
Ответ: взаимодействие молекул можно считать несущественным, если требуется приближённо описать поведение разреженного газа.
Две молекулы сблизили так, что расстояние между ними стало меньше равновесного. Как изменится результирующая сила? Сопоставим новое расстояние с равновесным, а затем определим преобладающую составляющую. Направление результирующей силы будет совпадать с направлением преобладающей силы.
Расстояние стало меньше равновесного, значит, молекулы сблизили слишком сильно. В такой области взаимодействия резко возрастает отталкивание. Притяжение уже не может уравновесить его.
Результирующая сила направлена так, чтобы увеличить расстояние между молекулами. Следовательно, она стремится раздвинуть частицы. Это противодействие сжатию.
Ответ: результирующая сила направлена на раздвижение молекул и при сильном сближении определяется преобладающим отталкиванием.
Объясним, почему твёрдое тело сохраняет форму и сопротивляется сжатию, используя представление о взаимодействии молекул. Для этого рассмотрим, что происходит с частицами при сжатии и после изменения их положения. Важно связать равновесное расстояние с направлением результирующей силы.
В устойчивом состоянии частицы твёрдого тела находятся около равновесных расстояний. Силы притяжения и отталкивания уравновешены, поэтому результирующая сила не заставляет частицы сближаться или разлетаться. Такое расположение помогает телу сохранять форму.
При сжатии расстояние между частицами уменьшается и становится меньше равновесного. Отталкивание резко возрастает и направлено против дальнейшего сближения. Поэтому тело сопротивляется сжатию и стремится вернуть частицы к более устойчивому расположению.
Ответ: тело сохраняет форму благодаря взаимодействию частиц около равновесных расстояний, а сжатию противодействует резко возрастающая сила отталкивания.
Ошибка — считать, что молекулы только притягиваются. Это представление кажется естественным, поскольку притяжение помогает удерживать частицы рядом, но при сильном сближении резко усиливается отталкивание. Проверьте себя: при сжатии молекулы сближаются, а вещество сопротивляется этому. Значит, необходимо учитывать обе составляющие взаимодействия.
Ошибка — полагать, что силы притяжения и отталкивания одинаковы при любом расстоянии. Так можно подумать, если запомнить только наличие двух сил, не проследив, как они меняются. На деле при умеренном сближении преобладает притяжение, а при чрезмерно малом — отталкивание. Проверка проста: сначала укажите расстояние, и только затем решайте, какая сила сильнее.
Ошибка — считать, что на равновесном расстоянии взаимодействия нет. Нулевой оказывается результирующая сила, потому что притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга. Обе силы при этом продолжают действовать. Чтобы проверить себя, спросите: они отсутствуют или компенсируют одна другую? Верен второй вариант.
Ошибка — представлять взаимодействие одинаково сильным на любых расстояниях. Иногда это происходит из-за того, что внимание уделяют самим молекулам, а не промежутку между ними. С удалением частиц силы быстро ослабевают, а при больших расстояниях становятся практически несущественными. Проверяйте вывод сравнением расстояния между молекулами с их размерами.
Для понимания межмолекулярных сил нужны знания о строении атома и молекулы, электрическом заряде и электромагнитном взаимодействии. Они помогают объяснить происхождение притяжения и отталкивания через поведение заряженных частиц. Сама тема, в свою очередь, связывает микроскопическое строение вещества с его свойствами: поведением газов, жидкостей и твёрдых тел. Она также помогает разбирать тепловое расширение и сжатие вещества.
Почему молекулы не притягиваются бесконечно сильно?
Сила притяжения зависит от расстояния и быстро ослабевает при удалении молекул. Кроме того, при сильном сближении начинает преобладать отталкивание, поэтому притяжение не приводит к бесконечному сближению частиц.
Почему молекулы не могут бесконечно сближаться?
При сближении электронные оболочки атомов начинают сильно перекрываться. Из-за электромагнитного взаимодействия зарядов возникает резко возрастающее отталкивание, которое препятствует дальнейшему сближению.
Что происходит с силами взаимодействия на равновесном расстоянии?
Силы притяжения и отталкивания действуют одновременно и уравновешивают друг друга. Их результирующая сила равна нулю, хотя само взаимодействие не исчезает.
Почему взаимодействие молекул называют электромагнитным?
Молекулы состоят из атомов, а атомы — из заряженных частиц: электронов и ядер. Силы между молекулами возникают из-за электромагнитного взаимодействия этих зарядов.
Как взаимодействие молекул объясняет сопротивление тела сжатию?
При сжатии расстояния между частицами уменьшаются и отталкивание быстро усиливается. Возникающая сила направлена против сжатия, поэтому тело сопротивляется уменьшению своего объёма.
§ 23. Взаимодействие молекул и атомов
