2020-08-05
124
Кванттық механикада молекулааралық өзара әсер туралы ілім 1927 жылы Ф. Лондонның, 1927 жылы В. Гейтлердің, 1930 жылы П. Дебайдың, 1937 – 39 жылы М. Борнның еңбектерінде дамытылды. 19 ғасырда Я. Ван-дер-Ваальс пен У. Томсон (Кельвин) байқаған және Дж. Гиббс пен 1937 жылы Л. Ландаудың еңбектерінде дамытылған бір агрегаттық күйден екінші агрегаттық күйге ауысу теориясы фаза түзілудің қазіргі теориясына айналды; сөйтіп ол молекулалық физиканың маңызды жеке тарауы болып қалыптасты. Я.И. Френкельдің, Дж. Берналдың, т.б. еңбектерінде статистикалық әдістің заттардың құрылымы жөніндегі көзқараспен біріктірілуі сұйықтықтар мен қатты денелердің молекулалық физикасының дамуына үлкен әсер етті.
Жалпы молекулалық физика газдардың, сұйықтықтардың және қатты денелердің құрылысы, олардың сыртқы әсерлердің (қысым, температура, электр және магнит өрістері) нәтижесінде өзгеруі, тасымалдау құбылысы (диффузия, жылуөткізгіштік, ішкі үйкеліс), фазалық тепе-теңдік және ауысу процестері (кристалдану және балқу, булану және конденсация, т.б.) заттардың кризистік күйі, әр түрлі фазалардың бөліну шекараларындағы беттік құбылыстар қарастырылады.
XX ғасырда молекулалық физиканың жедел қарқынмен дамуы нәтижесінде одан статистикалық физика, физикалық кинетика, қатты денелер физикасы, физикалық химия тәрізді ірі, өз алдына дербес салалар бөлініп шықты. Қазіргі ғылым мен техниканың жаңа заттар мен материалдарды кеңінен пайдалануының нәтижесінде заттар құрылысын зерттеудің сан алуан әдістері пайда болды. Заттардың және олардың зерттеу әдістерінің әр түрлі болуына қарамастан молекулалық физика заттар құрылысының микроскопиялық (молекулалық) сипатына негізделе отырып, олардың макроскопиялық қасиеттерін зерттейді.
Жылулық туралы ілім XVIII ғасырда пайда болды. Осы уақытқа дейін температура және жылулық ұғымдары бір-бірінен ерекшелінбеген. XVIII ғасырларда ғалымдардың жұмыстарымен жылулық құбылыстарының сандық зерттеуi басталды. Температураны өлшеудің шкалаларын өңдеуде негiзгi үлестi қосқандар неміс-голланд физигі Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686-1736), француз оқымыстысы Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) және швед оқымыстысы Андерс Цельсий (1692-1761). Голланд физигi Питер ван Мушенбрек (1692-1761) қатты заттардың жылулық ұлғаюына алғашқы зерттеу жүргізді және бірқатар металлдардың балқу температурасын өлшеу үшiн темiр кесегінің ұлғаюын пайдаланды.
Әр түрлі температуралардағы суларды араластыруды сандық зерттеген ресей физигі Георгом Вильгельмом Рихманның (1711-1753), шотланд оқымыстысының Джозефом Блэктің (1728-1799) балқу және булану процестерін зерттеуі және де басқа да ғылыми зерттеулер жылу және температура деген екі түсініктің бөлінуіне әкеп соқты. Жылу мөлшерінің өлшем бірлігі (килокалория), жылусыйымдылық, балқу және булану жылулары сияқты түсніктер енгізілді. Жылу табиғатын түсіндіру үшін екі түсінік қолданылды: бірінде бөлшектердің қозғалысымен байланысты болса, екіншісінде арнайы материя – жылу тегі қарастырылды. Осы бағыттағы, жылутегі туралы Ломоносовтың еңбектерін атап өткен жөн.
Жалпы молекула-кинетикалық теория және термодинамика облыстарының дамуына зор үлес қосқан оқымысты-ғалымдарға қысқаша тоқталып өтейік.
Ломоносов Михаил Васильевич (19.11.1711-15.04.1765) (35-сурет) – орыс ғалым-энциклопедисті. Архангельск губерниясының Денисовка ауылында шаруа отбасында дүниеге келген. 1731-1735 жж. - Мәскеудегі славян-грек-латын академиясында, 1735-1736 жж. - Петербург Ғылым Академиясына (ҒА) қарасты университетте, 1736-11741 жж. – шет елде Марбургте және Фрейбергте білім алған. 1742 жылдан бастап - адьюнкт, ал 1745 жылдан бастап – Петербург ҒА академигі атанады.
35 сурет.-Л.М. Ломоносов
| Физика, химия, астрономия, тау iсі, металлургия және т.б. облыстарында жұмыс істеген. 1774 жылы А. Лавуазье нақты дәлелдеп шыққан заттың сақталу заңын экспериментті түрде дәлелдеген. Табиғатты бір бүтін деп елестетсек, онда бәрі бір-бірімен байланысты, ештеңе себепсіз жоғалып кетпейді (Ломоносовтың материя және қозғалыс сақталу заңы). Химияда физикалық әдістерді еңгізудің негізін салған, әр түрлі аспаптардың (100 жуық) құрылыстарын өңдеп шыққан. Ломоносовтың ғылымға, білім мен мәдениеттің дамуына зор үлес қосқан, ол Ресейдегі жаратылыстану негізін салған. 1755 жылы оның бастауымен және |
жобасымен қазіргі уақытта Ломоносовтың есімімен аталатын Мәскеу университеті ашылған.
Ломносов молекула-кинетикалық теория негіздерін қалағанымен, ол молекулаларды шарлар түрінде деп түсінген, өйткені оның түсінігі бойынша олардың арасында серпімді соқтығысулар болмайды.
XIX ғасырда жылу туралы оқу дами бастады және термодинамика мен молекула-кинетикалық теорияның негізгі жағдайлары тұжырымдалды. XVIII ғасырдың басы XIX ғасырдың аяғында денлердің жылулық ұлғаюына көптеген зерттеулер жүргізілген. Оның теңөлшемділігіне аса зор мән беріліп, қатты және сұйық денелер үшін бірқатар аномалиялар анықталған: кристаллдардың ұлғаюының анизотропиясы, судың максимум тығыздығы 40 С температурада болатындығы, 100 С -ден 700 С-ге дейінгі қыздыруда иодты күмістің сығылуы және т.б. Ауаның жылулық ұлғаюы үшін Вольта 1793 жылы ұлғаюлардың бірөлшемділігін бекітті, ал 1802 жылы француз физигі және химигі Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) өз эксперименттері және өзінің отандасы Жак Шарльдің (1746-1823) зерттеулері негізінде барлық газдар бірдей және бірөлшемді ұлғаяды деген заңды тұжырымдады және ұлғаю коэффициентін есептеген. 1802 жылы Дальтон өзінің парциаль қысымдар туралы заңын тұжырымдайды.
Дальтон Джон (06.09.1766–27.07.1844) (36-сурет) – ағылшын химигі және физигі, Лондон королдық қоғамының, Париж ҒА мүшесі. Иглсфилдте кедей отбасында дүниеге келген. Білімін өз бетімен жетілдірген. Манчестерде математика мұғалімы болған, ал 1799 жылдан бастап жеке дәрістер оқи бастаған.
36 сурет. -Дальтон Джон
| Молекулалық физика облысындағы зерттеулері: адиабаталық сығылу және ұлғаю, қаныққан және аса қаныққан бу, газ ерітіндісінің оның парциаль қысымдарына тәуелділігі. Химияда атом туралы түсініктердің негізін алғаш салғандардың бірі, қысқа қатынастар заңын ашқан, атомдық салмақ түсінігін енгізген және алғаш элементтердің атомдық салмақтарының кестесін құрған. 1794 жылы физиологиялық зерттеулер жүргізіп, жеке түстерге деген соқырлықты (дальтонизм) ашқан. Саны көп жұмыстар тұрақты қысым мен көлемде ауаның жылусыйымдылықтарының айырмашылықтары туралы тоқтамға әкелді. |
Бұл айырмашылыққа Лаплас көңіл аударды да, 1816 жылы ол ауаның сығылуы мен сиретілуі кезектескендегі температура өзгерісімен Ньютонның теориясынан алынған ауадағы дыбыстың жылдамдығының эксперименттік мәнімен сәйкессіздігін түсіндіріп берді.
Лаплас Пьер Симон (28.03.1749-05.03.1827) (37-сурет) - француз астрономы, физигі және математигі, Париж (1785) және Петербург ҒА (1802) мүшесі. Бомон-ан-Ожада дүниеге келген. Бенедектинецтер мектебінде оқыған. 1771 жылдан бастап – Париждегі Әскери мектептің профессоры, 1790 жылдан бастап – өлшемдер мен салмақтар Палатасының төрағасы болады.
37 сурет. - Лаплас Пьер Симон
| Аспан механикасы облысындағы негізгі жұмыстары «Аспан механикасы туралы трактат» (1798-1825) бес томдықта жиналған. Бүкіл әлемдік тартылыс заңы негізінде Күн жүйесінің денелерінің қозғалысын түсіндіру үшін бәрін жасады. Күн жүйесінің тегі туралы болжамды ұсынды (1796). Аспан механикасында ғылыми танымның соңғы формасының үлгісін көре білді. Лапластық детерминизм классикалық физиканың механикалық әдістемесінің жалпы белгісіне айналды. Физикалық зерттеулері молекулалық физикаға, жылуға, акустикаға, электрге, оптикаға жатады. 1821 жылы биіктікке қатысты ауа тығыздығының |
өзгеріс заңын бекітті (барометрлік формула).
1806-1807 жж. капиллярлық теориясын өңдеді, адиабаталық түзетулерімен газдардағы дыбыс жылдамдығына арналған формуланы қорытып шығарды.
Математикада «Лаплас операторы», «Лаплас түрлендірулері», «Лаплас интегралы», «Лаплас теоремасы» атауларымен белгілі, Лаплас ықтмалдылықтар теориясын құрушылардың бірі болып табылады. Өлшемдер мен салмақтардың Палатасында төрағасы ретінде өлшемдерге метрлік жүйені енгізді. Франциядағы, нақтырақ айтсақ, Нормаль және Политехникалық мектептерде жоғары білімді қайта ұйымдастыруда белсенді қатысты. Якобинский клубының белсенді мүшесі, Наполеон кезінде ішкі істер министрі, сенаттың мүшесі болды, граф титулын алды.
Бір уақытта химиктердің негізгі күштерімен атомистика дамыды. Олардың негізін салушылардың бірі Дальтон 1803 жылы қысқа қатынастар заңын тұжырымдап, 1808 жылы атомистикалық теорияны мазмұндаған «Химиялық философияның жаңа жүйесі» атты еңбегін жарыққа шығарды. Швед химигі Иенс Якоб Берцелиус (1779-1848) атомдық теорияға зор үлес қосты, ол 1826 жылы қазіргі қолданылып жүрген атомдық салмақтар кестесін жарыққа шығарды. Сонымен қатар, ол элементтердің латын атауы бойынша химиялық символдары алғашқы әріптерімен белгілеуді ұсынды.
Элементтердің химиялық қасиеттерін есепке ала, атомдық салмақтар негізінде Менделеев XIX ғасырда химияда керемет ашылу жасады – периодикалық заңды және химиялық элементтердің периодикалық кестесін құрды.
1892 – ж. оның әрекет бойынша шараларға және салмақтарға Негізгі палатқа 1893 қайта ұйымдастырған озат кірлердің және салмақтардың Жиналатын орынның ғалым-сақтаушысы, 1893-1907 жж. оның бағдарлаушысы болады.
Менделеев Дмитрий Иванович (08.02.1834—2.02.1907) (38-сурет) – орыс оқымыстысы, Петербург ҒА (1876) корреспондент-мүшесі, көптеген шет ел ғылым академиялары мен қоғамдарының мүшесі, оның құрметіне 101-ші химиялық элемент – менделевий деп аталды. Ол Тобольскіде гимназия директоры жанұясында дүниеге келген. Петербургтегі Басты педагогикалық институтты аяқтады (1855). 1857-90 жж. Петербург университетінде дәріс берген (1865 жылдан – профессор). 1890 жылы білім беру министрімен кикілжіңнің салдарынан университетті тастап кетеді. 1892 жылдан – қайта ұйымдастырылған өлшемдер мен салмақтар бас Палатасында үлгілі гірлер мен таразылардың Депосында оқымысты-сақтаушы болады да, 1893-1907 жж оның басқарушысы болады.
Негізгі жұмыстары химия, физика, метрология, метеорология және т.б. облыстарында болған. 1869 жылы табиғаттың іргелі заңдарының бірі – химия элементтердің периодты заңын ашты және оның негізде периодты кестені жасады.
Көптеген элементтердің атом салмақтарының мәндерін жөндеді, жаңадан тағы элементтердің ашылуын болжап айтты (галлий, германий, скандий). Келесі ашулар осы болжамдарды және периодты заңды нақты растады. Кризистік температуралардың болуын болжады (1860), Клайперон теңдеуін
38 сурет. - Д.И. Менделеев
| жалпылады да, идеал газ күйін (Менделеев-Клапейрон теңдеуі) 1874 жылы қорытып берді. 1887 жылы атмосфераның жоғарғы қабатын оқып-үйрену және күннің тұтылуын бақылау үшін ауа шарының пилотсыз ұшуын іскеасырды. Таразылардың физикалық теориясын, күйенте құрылысын, өлшеудің нақты амал-тәсілдерін өңдеп берген. КСРО ҒА Менделеевке химиядағы керемет жұмыстары үшін алтын медаль табыстады. 1808 ж. Гей-Люссак еселі қатынастар заңын экспериментті түрде ашты. Бұл заңның интерпретациясы бірқатар жағдайларда Дальтонның мәндеріне қайшы келді. Бірақ, 1811 жылы итальян |
химигі Амедео Авагадро (1776-1856) бірдей сыртқы шарттарды (температура, қысым) газдардың тең көлемінде бөлшектердің тең саны бар деген заңын тұжырымдап берді. Гей-Люссак пен Дальтонның нәтижелері арасындағы қайшылықты шешуге мүмкіндік беретін, газ молекулалары бірнеше атомдардан тұратынына жол берілді.
Заттардың атомдық-молекулалық құрылысы туралы оқулардың жетістіктері, негізінен газдардың, термодинамика мен молекулалық физиканың құрылуына әсерін тигізіп, жылудың механикалық теориясын дамуына көп ықпал етті.
XVIII ғасырдың екінші жартысында жылутегі теориясы ерекшеленді, бірақ XIX ғасырдың басында ол жылудың механикалық теориясының өз позицияларына жол беруге бола бастады.
Карно Никола Леонард Сади (01.04.1796 – 24.08.1832) (39-сурет) – француз физигі және инженер. Парижде әскери басшы, саясаткер және оқымысты Л. Карноның отбасында дүниеге келген. Политехникалық мектепті 1814 жылы аяқтаған. 1814-19 және 1826-27 жж. – әскери қызметте инженер ретінде жұмыс атқарған.
39 сурет. - Карно Н.Л.С.
| Термодинамиканы құрушылардың бірі болып табылады. 1824 жылы «Оттың қоғаушы күші және осы күшті келтіретін машиналар туралы ойлар» атты шығармасында, мәңгілік қозғалтқыштың болмайтынынан шығып, алғаш рет, пайдалы жұмысты ыстық денеден суық денеге жылудың өтуі арқылы алуға болатынын көрсетті (термодинамиканың 2-заңы). Айналмалы және кері процесстер түсінігін енгізіп, жоғары қысым буының бу машиналарында қолданылу шектерін және оның ұлғаюын көрсетті, газды жылу машиналарының жұмыс істеу принципін |
тұжырымдап берді.
Карноның ойлары оның жаңашылығымен басында байқалмай қалып жатты. Тек 1834 жылы француз физигі және инженері Бенуа Поль Эмиль Клайперон (1799-1864) осы жұмыстарға мән берді, Карноның алғашқы циклін екі изотерма мен екі адиабата циклдерімен алмастырды және Бойль және Гей-Люссактың заңдарын біріктіретін газ күй теңдеуін қорытып шығарды.
Ең ақырында жылу мен жұмыстың эквиваленттілігі туралы идеяны 1842-43 жж. неміс дәрігері Юлиус Роберт Майер (1814-1878) және Джоуль тұжырымдап берген және жылудың механикалық эквивалентін сандық анықтаған.
Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (02.01.1822–24.08.1888) (40-сурет) – неміс физигі, Берлиндік ҒА (1876) және басқа да ғылым академиялары мен ғылыми қоғамдардың корреспондент-мүшесі. Кеслинде пастордың отбасында дүниеге келген. Берлин университетін аяқтап, доктор атағын алады (1847). Берлиндегі Королдық артиллериялық техникалық мектепте оқытушы болып қызмет атқарады. 1855 жылдан бастап Цюрихск политехникумында оқытушы, 1867 жылдан – Вюрцбергск профессоры және 1869 жылдан – Боннский университетінде қызмет атқарады.
40 сурет. - Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль
| Молекулалық физика, термодинамика, теориялық механика, математикалық физика облыстарында жұмыс жасаған. 1850 жылы У. Ранкиннен тәуелсіз жылу мен жұмыс арасындағы жалпы қатынасты алды (термодинамиканың бірінші бастамасы) және бу машинасының идеал термодинамикалық циклін өңдеді (Ранкин-Клаузиус циклі). Екінші бастаманың математикалық өрнегін кері процесстер жағдайында берді, энтропияның өзгерісі процестің өту бағытымен анықталатынын көрсетті. Газдың кинетикалық теориясына статистикалық көрінісін, молекулалар қозғалысының сферасы туралы түсінік енгізіп, алғаш ыдыстың қабырғасындағы газ қысымын теориялық түрде есептеп берді. |
1870 жылы бөлшектер жүйесінің орташа кинетикалық энергиясын оған әсер ететін күштермен байланыстыратын, вириал теоремасын дәлелдеді. Заттың балқу температурасының қысыммен байланысын негіздеп берді (Клайперон-Клаузиус теңдеуі).
Джоуль-Ленц заңын теориялық негіздеп, термоэлектр теориясын дамытты, электролитті диссоциация туралы ұғымды енгізді. Поляризация теориясын өңдеп, О. Моссоттиден тәуелсіз диэлектрлік өтімділік мен диэлектриктің поляризделуі арасындағы қатынасты қорытып берді (Клаузиус-Моссотти формуласы).
Клаузиус ішкі энергия туралы түсінікті енгізіп, бірінші бастаманың нақты математикалық формасын берді, сондай-ақ, термодинамиканың екінші бастамасын жаңа тұжырымдамасын берді: жылудың анағұрлым суық денеден анағұрлым ыстық денеге өздігінен берілуі мүмкін емес. 1865 жылы ол жаңа шама, термодиамикадағы іргелі орын алатын – энтропияны енгізді. Бұл идеал қайтымды процестерде тұрақты және нақты процестерде артатын шама.
Механикалық процестер мен жылулық құбылыстар арасындағы байланыстың нақтылығы газдардың кинетикалық теориясында іске асырылады.
Кинетикалық теория көптеген құбылыстарды түсіндіре алды: диффузияны, еруді, жылуөткізгіштікті және т.б. Молекулалар арасындағы әсерлесуді және олардың өлшемдерін есепке алу Иоганнес Дидерик Ван дер Ваальсқа (1837-1923) тиесілі болып, 1873 жылы идеал газ теңдеуіне түзетулер енгізіп, нақты газдарды сипаттап берді.
Барлық процестер қайтымды болғанда, термодинамиканың 2 бастамасының тұжырымдамасы дәстүрлі механикалық түсініктерге сай келмеді. Бұл қиындықтарды шешу Максвелл мен Больцманның қолынан келді, олар физикалық құбылыстардың ықтмалдылығы түсінігін енгізіп, механикадағы динамикалық заңдардың орнына термодинамикада статистикалық заңдарды қойды.
Максвелл Джеймс Клерк (13.06.1831–05.11.1879) (41-сурет) – ағылшын физигі, Эдинбург (1855) және Лондон (1861) королдық қоғамдарының мүшесі.
41-сурет. Максвелл
Джеймс Клерк
| Эдинбургте заңгер отбасында дүниеге келген. Эдинбург (1847-50) және Кембридж (1850-54) университеттерінде оқыған. Университетті аяқтаған соң Тринити колледжінде дәріс оқып, 1856-60 жж. –Абердин университетінің профессоры, 1860-65 жж. – Лондон королдық колледжінде, 1871 жылдан бастап – Кембридждегі эксперименттік физиканың бірінші профессоры болып қызмет атқарған. Оның жетекшілігмен Кембридждегі Кавендиш зертханасы құрылған. Электродинамика, молекулалық және статистикалық физика, оптика, серпімділік теориясы облыстары бойынша жұмыс |
жасаған. Жылдамдық бойынша газ молекулаларының таралу заңын (Максвелл таралуы) бекітті, ішкі үйкеліс, диффузия және жылуөткізгіштік процестеріне қолданып, тасымалдау теориясын дамытты. Ығысу тогы түсінігін енгізе және электромагниттік өріске өзіндік анықтама бере отырып, электромагниттік теориясын (Максвелл теңдеуі) құрды.
Алғаш (1879) Г. Кавендиштің қолжазба еңбектерін жарыққа шығарды.
Оның есімімен магниттік ағынның өлшем бірлігі - максвелл деп аталды.
Больцман Людвиг (20.02.1844–05.09.1906) (42-сурет) – австрия физигі, Австрия (1895), Петербург (1899) және тағы да басқа ғылым академияларының мүшесі болған. Венада қызметкердің отбасында дүниеге келген. Вена университетін (1866) аяқтады. Граца (1869-73 және 1876-89), Вена (1873-76 және 1894-1900 және 1903 жылдан бастап), Мюнхен (1889-94), Лейпциг (1900-02) университеттерінің профессор болады.
42 сурет. - Больцман Людвиг
| Газдардың кинетикалық теориясы, термодинамика және сәулелену теориясы облыстары бойынша жұмыс жасаған. Газ молекулаларының жылдамдық бойынша таралу заңын қорытып берді (Больцман статистикасы). Статистикалық заңдарды қолданып, физикалық кинетиканың негізі болып табылатын, газдардың кинетикалық теңдеуін қорытып берді. Жүйе энтропиясын оның күй ықтималдылығымен байланыстырды және термодинамиканың 2-бастамасының статистикалық сипаттамасын дәлелдеді. Алғаш термодинамика принциптерін сәулеленуге қолданып, Й. Стефанның экспериментт түрде алған жылулық сәулелену заңын алды. Термодинамикалық түсініктерден |
Д. Максвеллдің жарық қысымы туралы гипотезасын расқа шығарды.
Газдардың кинетикалық теориясының қарсыластарының тарпа бас салуы Больцманға қатты әсер етті, оның өз-өзіне қол жұмсауына осы жағдай себеп болуы мүмкін.
Термодинамиканың екінші бастамасы табиғаттың қарапайым заңы емес, ықтимал заң ретінде қарастырыла бастады. Осында алғаш рет классикалық физика табиғат құбылыстарының дуализмімен қақтығысып жатты.
Термодинамика сонау бастан тек жылудың механикалық теориясы түсініктеріне жүгінген болатын. Даму барысында ол физиканың дербес бір бөліміне айналды.
