lecture-9

Спектры молекул

Несмотря на четкий порядок атомов в молекулах, они не являются абсолютно жестко связанными и способны двигаться друг относительно друга. Как правило, эти движения имеют колебательный характер. Благодаря им молекулы способны излучать и поглощать электромагнитные волны на частоте колебаний – обычно в инфракрасном диапазоне. Кроме колебаний, возможно и вращение одних групп атомов относительно других или всей молекулы целиком, благодаря чему молекула переходит из одного равновесного состояния в другое.

Состояния вещества

Атомы или молекулы, образующие достаточно разреженную систему, составляют в совокупности состояние вещества, называемое газом. Частицы газов движутся в основном свободно, лишь время от времени испытывая соударения друг с другом или со стенками емкости. Очевидно, газ не обладает фиксированным объемом. С ростом давления или при уменьшении температуры газ претерпевает фазовый переход – вещество переходит из газообразного в конденсированное состояние – жидкость или твердое тело.

Конденсированное вещество представляет собой связанное состояние атомов или молекул. Жидкости с физической точки зрения характеризуются ближним порядком частиц – относительно далекие соседи никак не связаны с данной конкретной частицей – ни по расположению, ни по характеру движения. Частицы жидкости обладают ограниченной подвижностью и совершают не только колебательные движения, но и способны перескакивать на место своих ближайших соседей. Это приводит к тому, что на макроскопическом уровне жидкость не имеет определенной формы, хотя сохраняет объем и является в целом однородной и изотропной.

В отличие от жидкостей твердые тела сохраняют и форму, и объем, и могут быть анизотропными. На микроскопическом уровне их частицы образуют кристаллическую решетку - пространственную периодически повторяющуюся структуру во всем объеме тела. Она обладает как ближним, так и дальним порядком, поскольку окружение данного атома фиксировано по геометрии и составу вплоть до размеров всего тела. Атомы кристаллов обладают минимальной подвижностью и способны лишь совершать колебания около фиксированных положений равновесия в узлах кристаллической решетки.

Ионные кристаллы построены из чередующихся противоположно заряженных ионов (соли, например, NaCl). Ковалентные кристаллы состоят из атомов, связанных ковалентными связями (С, B, Si). Молекулярные кристаллы состоят из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения (N2, O2). Кристаллическая решетка металлов образована ионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»).

Все кристаллические соединения можно разделить на моно- и поликристаллические. Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко. Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких зерен - кристаллитов, видных обычно только при сильном увеличении.

При значительном повышении температуры частицы вещества ионизируются, и газ переходит в состояние плазмы. В этом состоянии из-за наличия свободных зарядов уже под действием даже малых электромагнитных полей возникают токи. Другой особенностью плазмы являются коллективные эффекты, являющиеся следствием самосогласованного движения ионов и электронов в порождаемых ими же электромагнитных полях. Благодаря коллективным эффектам достаточно большие объемы плазмы обладают свойством электрической квазинейтральности – их макроскопический электрический заряд в среднем равен нулю.

При высоких температурах электромагнитное излучение начинает играть заметную роль, внося вклад в энергию системы, перенося импульс и оказывая давление на «обычное» вещество. Поэтому есть все основания считать, что полевая компонента таких систем, представленная многочисленными квантами света и потому называемая фотонным газом, является их равноправной составляющей, как и вещество. Ее принципиальное отличие от обычного газа состоит в том, что ее частицы – фотоны

– могут исчезать и появляться. Фотонный газ в природе встречается главным образом в космосе, например, динамический баланс звезд связан с равновесием между давлением этого газа, стремящегося к расширению, и силы тяготения, стремящейся сжать вещество звезды.

Термодинамика и процессы самоорганизации

Энергия – это общая мера, характеризующая способность системы совершать работу. Важнейшим свойством энергии является ее универсальность, в том смысле, что с ее помощью можно описывать самые разнообразные превращения одних форм движения материи (и самой материи!) в другие. В зависимости от характера этих процессов качественно отличные виды энергии (механическая, внутренняя, ядерная и др.) рассматриваются в разных разделах физики.

Процессы передачи и превращения различных форм энергии в сложных системах изучаются в термодинамике. Благодаря свойству универсальности энергии, термодинамический метод позволяет исследовать динамику систем без учета их детальной структуры. Это делает сферу его применимости чрезвычайно широкой – от молекулярной физики до космологии.