Номер 2, страница 235 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 48. Агрегатные состояния вещества. 8. Молекулярная структура вещества. Молекулярная физика - номер 2, страница 235.

Условие.

2. Как измерить геометрические размеры молекул?

Решение.

Измерить геометрические размеры молекул напрямую с помощью обычных измерительных приборов, таких как линейка или микрометр, невозможно из-за их чрезвычайно малых размеров. Поэтому для этого используют косвенные методы. Рассмотрим один из самых известных и простых методов, а также более современные подходы.

Метод масляного пятна (определение размера по мономолекулярному слою)

Этот классический эксперимент позволяет оценить диаметр молекулы вещества, способного образовывать тонкую пленку на поверхности воды (например, олеиновой кислоты или другого масла).

Идея метода: Предполагается, что при растекании по поверхности воды капля масла образует слой толщиной в одну молекулу (мономолекулярный слой). Тогда толщина этого слоя будет равна диаметру одной молекулы.

Ход эксперимента и расчеты:

1. Сначала определяют объем одной маленькой капли масла $V$. Для этого можно, например, отмерить шприцем определенный объем масла и посчитать, сколько капель в нем содержится.

2. В большую плоскую посуду с чистой водой капают эту каплю масла. Чтобы пятно было лучше видно, поверхность воды можно посыпать тонким слоем порошка (например, талька).

3. Масло растекается по поверхности, образуя очень тонкую пленку, часто в форме круга. Измеряют площадь этой пленки $S$. Если пятно имеет форму круга, то измерив его диаметр $D$, можно найти площадь по формуле $S = \frac{\pi D^2}{4}$.

4. Объем пленки, которую мы принимаем за очень тонкий цилиндр, равен произведению ее площади $S$ на толщину $d$: $V = S \cdot d$.

5. Поскольку мы предположили, что толщина пленки $d$ равна диаметру одной молекулы, то его можно вычислить по формуле:

$d = \frac{V}{S}$

Этот метод дает лишь оценочное значение, но он наглядно демонстрирует возможность измерения размеров микроскопических объектов.

Современные методы измерения размеров молекул

С развитием технологий появились более точные методы, позволяющие не только измерить размеры, но и увидеть форму молекул и даже отдельные атомы в них.

1. Электронная и туннельная микроскопия. Современные электронные микроскопы, а также сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (АСМ) позволяют получать изображения с увеличением в миллионы раз. С помощью этих приборов можно напрямую наблюдать расположение отдельных молекул и атомов на поверхности вещества и измерять расстояния между ними, получая точные данные о их размерах.

2. Рентгеноструктурный анализ. Этот метод используется для исследования кристаллов. Пучок рентгеновских лучей, проходя через кристалл, рассеивается на его атомной решетке, создавая характерную картину (дифрактограмму). Анализируя эту картину, ученые могут с высокой точностью определить пространственное расположение атомов в молекуле, межатомные расстояния и, следовательно, точные геометрические размеры и форму молекулы.

3. Методы, основанные на изучении физических свойств. Размеры молекул можно также оценить, изучая такие макроскопические свойства вещества, как вязкость, скорость диффузии, теплопроводность, а также отклонения в поведении реальных газов от законов идеального газа (например, с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса).

Ответ: Геометрические размеры молекул измеряют с помощью косвенных методов. Классическим методом является эксперимент с растеканием капли масла по воде, где диаметр молекулы ($d$) вычисляется как отношение объема капли ($V$) к площади образовавшегося пятна ($S$), предполагая, что толщина пятна равна одной молекуле: $d = V/S$. Более современные и точные методы включают сканирующую туннельную и атомно-силовую микроскопию (прямое наблюдение и измерение), а также рентгеноструктурный анализ (определение положения атомов в кристалле по дифракции рентгеновских лучей).