|
Колебание молекул
Два атома, связанные вместе, могут вращаться вокруг общего центра масс и могут колебаться, как если бы они были соединены пружинкой.
Как должна распределиться энергия между различными типами движений. Кинетическая энергия поступательного движения молекулы как целого может быть представлена как энергия движения вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений. Ясно, что в газе эта энергия делится поровну между указанными тремя направлениями. Двухатомная молекула может вращаться, как гантель, вокруг своих осей, перпендикулярных к направлению, вдоль которого вытянута молекула. На каждое из этих вращений должна приходиться одинаковая энергия. Когда двухатомная молекула совершает колебания, она обладает и кинетической, и потенциальной энергией; в среднем на каждый вид колебаний (моду) приходится одинаковая энергия.
В классической механике предполагалось, что принцип равного распределения энергии по всем энергетическим модам выполняется при условии, что система в течение достаточно длинного промежутка времени обладает возможностью свободно взаимодействовать со всеми своими компонентами. Каждая такая мода называется степенью свободы. Например, поступательному движению соответствует три степени свободы, поскольку это движение может быть разложено по трем независимым направлениям, задаваемым осями х, у и z. Колебательному движению вдоль одной прямой соответствуют две степени свободы — по одной для кинетической и потенциальной энергии.
Согласно этому принципу в системах многих взаимодействующих частиц, где все перечисленные движения могут влиять друг на друга и обмениваться энергией, в среднем по времени на каждую степень свободы приходится одинаковая часть полной энергии. Справедливым будет не только равенство для одной молекулы, но и равенство для двух различных молекул одного и того же газа.
Принцип равнораспределения энергии служил краеугольным камнем в классической механике XIX века, хотя справедливость этого принципа не сразу очевидна и ее непросто доказать.
Если в газе действительно выполняется равнораспределение энергии, то каждая из возможных мод движения молекул будет на равных участвовать в разделе тепловой энергии, подводимой к газу. Именно в этом месте рассмотренная простая классическая модель и начинает трещать по швам.
Следующий шаг в объяснении неожиданно требует привлечения квантовой механики. Глядя на экспериментальные значения молярной теплоемкости двухатомных молекул при постоянном объеме, мы видим, что при комнатной температуре молекулы Н2, О2, N2 и НО, несомненно, имеют пять степеней свободы. (Заметьте, что каждая степень свободы ответственна за вклад в значение молярной теплоемкости 1 калДмоль • К).) Из других экспериментов и из квантовомеханических расчетов следует, что две дополнительные степени свободы этих двухатомных молекул связаны с возможным вращением вокруг двух осей. Достаточно очевидно, что при столкновении таких молекул они заставляют друг друга вращаться. Даже для самой простой молекулы Н2 теплоемкость не может быть объяснена на основе классической механики. Поскольку молекулы, несомненно, могут перемещаться в пространстве, то это означает, что по некоторой причине их вращательные и колебательные моды не могут участвовать в распределении энергии.
Источник. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Суорц Кл.Э. М.: - Наука, Т.1. 1986., с. 332.
Литература. Физический энциклопедический словарь. М.:Советская энциклопедия, 1983.
