Номер 11, страница 200 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 5. Молекулярная физика. Параграф 24. Молекулярно-кинетическая теория - номер 11, страница 200.

Условие.

11. Расскажите о природе взаимодействия молекул.

Решение.

11. Взаимодействие между молекулами имеет электромагнитную природу. Оно является результатом сложного взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы с электронами и ядрами другой. Это взаимодействие имеет двойственный характер: молекулы одновременно и притягиваются, и отталкиваются друг от друга. Соотношение сил притяжения и отталкивания зависит от расстояния между молекулами.

На больших расстояниях, которые в несколько раз превышают размеры самих молекул, преобладают силы межмолекулярного притяжения. Эти силы известны как силы Ван-дер-Ваальса. Они значительно слабее химических связей внутри молекул. Причиной их возникновения является взаимное притяжение электрических диполей. Даже если молекулы неполярны, в них возникают мгновенные (флуктуационные) диполи из-за движения электронов, которые, в свою очередь, индуцируют диполи в соседних молекулах, приводя к их взаимному притяжению (дисперсионные силы Лондона). Силы притяжения быстро убывают с увеличением расстояния $\text{r}$.

На малых расстояниях, когда молекулы сближаются настолько, что их электронные оболочки начинают перекрываться, начинают действовать мощные силы отталкивания. Эти силы возникают из-за электростатического отталкивания одноимённо заряженных ядер и электронных оболочек друг от друга. Кроме того, согласно принципу запрета Паули, электроны из разных атомов не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, что также вносит вклад в отталкивание. Силы отталкивания убывают с расстоянием гораздо быстрее, чем силы притяжения.

Из-за одновременного действия сил притяжения и отталкивания существует определённое расстояние $r_0$, называемое равновесным, на котором эти силы уравновешивают друг друга. В этой точке суммарная сила взаимодействия равна нулю, а потенциальная энергия системы из двух молекул достигает своего минимума. Это положение соответствует наиболее устойчивому состоянию, например, положению молекул в узлах кристаллической решётки твёрдого тела.

Зависимость потенциальной энергии $\text{U}$ взаимодействия двух молекул от расстояния $\text{r}$ между ними можно наглядно представить с помощью модели, например, потенциала Леннарда-Джонса:
$ U(r) = 4\varepsilon \left[ \left(\frac{\sigma}{r}\right)^{12} - \left(\frac{\sigma}{r}\right)^6 \right] $
В этой формуле член, пропорциональный $r^{-6}$, описывает силы притяжения, а член, пропорциональный $r^{-12}$, — силы отталкивания, которые являются более короткодействующими и резкими.

Ответ: Природа взаимодействия молекул – электромагнитная. Она проявляется в одновременном действии сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладают силы притяжения (силы Ван-дер-Ваальса), а на малых, сопоставимых с размерами молекул, доминируют значительно более сильные силы отталкивания, возникающие при перекрытии электронных оболочек. Существует равновесное расстояние, на котором эти силы уравновешиваются, что соответствует минимуму потенциальной энергии системы.