МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Иркутск 2012

Печатается по решению редакционно-издательского совета Иркутского государственного университета

УДК 53:001.4

Молекулярная физика: Лабораторный практикум/ Под ред. доцента И.Г.Просекиной - Иркутск: Иркутский ун-т, 2012, - 214 с.

Пособие включает 11 лабораторных работ по курсу общей физики, раздел молекулярная физика. Предназначено для детального изучения и проработки основных понятий и явлений статистической физики и термодинамики студентами первого курса физического факультета унивеситета, обучающимся по направлениям бакалавриата «Физика», «Радиофизика» и «Электроника и наноэлектроника».

Научный редактор – доцент И.Г. Просекина

Рецензент – проф. Л.А. Щербаченко

©Иркутский государственный

университет, 2012

Содержание

Введение

Порядок выполнения лабораторной работы

Инструкция по технике безопасности

Лабораторная работа 2-1. Статистический подход к эксперименту

Лабораторная работа 2-2. Распределение термоэлектронов по скоростям

Лабораторная работа 2-3. Молекулярное строение жидкостей и методы определения коэффициента поверхностного натяжения

Лабораторная работа 2-4. Термоэлектрические явления

Лабораторная работа 2-5. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул газа

Лабораторная работа 2-6. Определение коэффициента вязкости жидкости

Лабораторная работа 2-7. Изучение фазовых переходов первого рода

Лабораторная работа 2-8. Определение отношения удельных теплоемкостей воздуха

Лабораторная работа 2-9. Определение коэффициента теплопроводности твердых тел слабо проводящих тепло

Лабораторная работа 2-10. Теплоемкость твердых тел и ее определение методом охлаждения

Лабораторная работа 2-11. Теплопроводность газов

Приложение 1. Основные понятия комбинаторики

Приложение 2. Задача о картах и вероятности

Приложение 3. Обработка результатов по методу наименьших квадратов

Приложение 4. Обработка результатов измерений. Коэффициент Стьюдента

Приложение 5 Ошибки величин являющихся функциями нескольких измеряемых величин

Приложение 6 Изменение концентрации частиц при прохождении через потенциальный барьер

Приложение 7. Вычисление относительной скорости

Приложение 8. Условия применимости классической статистики

Приложение 9. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака. Переход к статистике Максвелла-Больцмана

Литература

Введение

Молекулярно-кинетическая теория вещества рассматривает тела как результат взаимодействия огромного числа частиц (атомов или молекул). В жидком и газообразном состоянии у каждой из них в результате взаимных столкновений, происходящих миллиарды раз за секунду, хаотично меняется скорость, импульс, энергия. Поведение таких больших систем из одинаковых молекул или атомов можно изучать с помощью теории вероятности и математической статистически. Статистические закономерности есть закономерности массовых однородных случайных явлений. Массовых - т.е. повторяющихся многократно, однородных - происходящих при одних и тех же условиях, случайных – исход неопределен, всегда есть целый набор возможностей. Самое интересное, что статистические закономерности, если уж они находятся в какой-то системе, одни и те же, вне зависимости от природы исследуемых объектов, и одинаково изучаются и в физике, и в химии, и в биологии, и в психологии, и в социологии... Они имеют смысл именно в больших системах, и имеют в той или иной степени приближенный характер, но точность приближения всегда может быть определена. Не случайно, что развитие своё эта область математики начала с анализа азартных игр.

В курсе "Молекулярной физики" рассматривается, в первую очередь, поведение и случайные изменения скоростей молекул, которые относят к микроскопическим параметрам веществ.

Статистически закономерными являются законы распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям. От них уже напрямую зависят макроскопические параметры вещества – температура, давление, концентрация, сила поверхностного натяжения… Объяснить наблюдаемые тепловые явления и перейти от микроскопических величин к макроскопическим величинам и позволяет статистика, что явилось большим успехом в понимании термодинамики. Поведение системы становится понятным "изнутри и снаружи" и оказывается предсказуемым. Однако, следуя этой схеме, понять абсолютно можно только самые неинтересные системы (но очень полезные), такие как идеальный газ. Как только появляется взаимодействие между частицами, все тут же сильно усложняется. Несмотря на то что, вид двухчастичного потенциала взаимодействия для большинства молекул различных веществ весьма прост проблема описания фазовых переходов, например, до сих пор еще не решена полностью и вызывает немало научных споров. Особенности взаимодействия отдельных атомов или молекул с неоднородными поверхностями принесли немало неожиданностей в физике и химии наноструктур совсем недавно. Понять существующий порядок в макромире, к которому мы привыкли и согласовать то, что наблюдаем, и то, что понимаем не так уж и просто. Нерешенных вопросов в этой области намного больше, чем решенных, но прежде, чем переходить к ним, неплохо бы понять, что уже сделано, усвоить язык математический и терминологический.

Познакомиться со статистическими закономерностями в общих чертах Вы сможете в ходе выполнения первой лаб. р-ты (2.1). Нужно научится делать статистическую обработку данных, определять точность измерений.

Хотя это и не так очевидно, о том же речь, и во второй лаб. р-те 2.2: о применимости статистических закономерностей к описанию поведения электронов в диодной лампе. А также о том, сколько всего можно узнать о жизни электронов, если знать что ищешь. Здесь же немного о границах применимости классической механики, и что такое квантовая статистика. Чтобы разобраться в этой теме, попробуйте сначала понять шутку "Все совпадения с реальными вероятностями являются случайными".

Однако статистика не охватывает всех направлений молекулярной физики. Если коротко, и "в общем", то поведение вещества не описывается только статистикой, иначе мы бы так и существовали как "частицы идеального газа", ничего ни о чем не зная, и не различая одно от другого. И это был бы совсем другой мир.

В реальности постоянно происходят фазовые переходы, например, лед-вода-пар. В этот момент статистика отходит на второй план, а происходит перестройка структуры, связанная с внутренними ресурсами и степенями свободы. Следствие которой - изменение связей между частями системы (подсистемами) и более выгодное энергетическое существование во внешних условиях.

Статистические закономерности не пропадают совсем, но изменяются все средние величины и проявляются более высокие корреляции, новые связи, которые в прежних условиях не могли быть проявлены.

Здесь встречаются свои удивительные закономерности присущие природе, например, фазовые переходы второго рода, которые происходят без затрат энергии. Можно сказать, что тот самый простой потенциал взаимодействия не так-то однозначен, как кажется, когда его изучают в стабильных условиях одной фазы.

Немного, а при желании и много, о фазовых переходах, их классификации, понятиях энтропия и скрытая теплота перехода Вы сможете узнать при выполнении работы 2.7. Конечно, это не такие системы, в которых фазовый переход сопровождается столь яркими проявлениями как пьезоэлектричество, магнетизм, сверхпроводимость, сверхтекучесть, а самые обычные металлы, которые плавятся и кристаллизуются обратимым образом. Но без этих знаний вряд ли современный быт был настолько комфортным, а горизонты нанотехнологий обширны.

Вспомнить о первом начале термодинамики, уравнении адиабаты, и измерить на практике отношение теплоемкостей для воздуха Вы сможете в работе 2.8. При этом если Вы честно сравните полученное значение со значением для идеального газа; и поймете, почему для идеального газа эта величина константа, то сможете вместе с Дебайем и Эйнштейном выйти за пределы этой простой модели и освоить теорию теплоемкости твердых тел как классическую, так и квантовую (в работе 2.9).

Большую часть курса молекулярной физики составляют кинетические явления и процессы переноса. Явлению вязкости посвящены работы 2.5, 2.6, в которых все наглядно, но при этом такие величины как средняя длина сводного пробега, коэффициент внутреннего трения, эффективный диаметр и сечение молекулы могут стать из отвлеченных реалистичными. О теплопроводности газов и твердых тел работы 2.9 и 2.11, главное в них это уравнение теплопроводности и умение вывести из него все остальное. Немного математической культуры Вам не повредит, а умение применять это еще и в жизни…

Новая лабораторная работа (2.4), позволяет познакомится с явлением термотока на практике. Элемент Пельтье очень полезное изобретение, хотя пока и не так часто используемое, вследствии высокой себестоимости. О связи электрических и тепловых явлений, дырочной и электронной проводимости в полупроводниках, эффектах Зеебека и Пельтье вы сможете узнать из этой работы.

Самая длинная и простая работа 2.3. Помните, что "упорство и труд все перетрут"…

В разработке и подготовке этого методического пособия принимали участие Д. М. Цивилева, Н. А. Зеленцов, А. А. Сорокин, В. В. Широков, В. К. Калашников и Ружников Л. И, за что им огромная благодарность. За основу было взято издание 2003 года и лабораторные практикумы по физике, представленные в конце пособия, к которым можно обращаться для более глубокой проработке теории.

В заключение, отмечу важное именно для Вас: успешное выполнение лабораторных работ, включает в себя их аккуратное выполнение на практике, тщательную подготовку, разбор всего непонятного в теории (хотя бы в первом приближении) и полезное общение с преподавателем в реальности. И хотя при выполнении работ Вы неизбежно столкнетесь с некоторыми темами, которые пока совсем новые и непонятные для Вас, это только поможет лучшему пониманию лекционного материала в будущем. Возможности, чтобы Вы c пользой для себя выполнили предложенные лабораторные работы, несмотря на старое оборудование и Ваше школьное образование, существуют, что подтвердил не один курс прошлых лет.

Желаю удачи.

"Не пропадет Ваш скорбный труд…",

по крайней мере, на экзамене.

Ваш лектор по курсу «Молекулярная физика»

Ирина Геннадьевна Просекина.