Номер 2, страница 164, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Как изменяются силы притяжения и силы отталкивания между молекулами в зависимости от расстояния?

Взаимодействие между молекулами (или атомами, не связанными химической связью) носит сложный характер и определяется одновременным действием сил притяжения и сил отталкивания. Обе эти силы имеют электромагнитную природу, но их зависимость от расстояния между молекулами различна, что и определяет итоговый характер взаимодействия.

Силы отталкивания

Эти силы начинают играть значительную роль только на очень малых расстояниях, когда молекулы сближаются настолько, что их электронные оболочки начинают перекрываться. Это приводит к сильному электростатическому отталкиванию между электронными оболочками, а также между положительно заряженными ядрами. Силы отталкивания являются короткодействующими. Их ключевая особенность в том, что они очень быстро возрастают при уменьшении расстояния $\text{r}$. Эту зависимость можно приближенно описать как $F_{отт} \propto \frac{1}{r^n}$, где $\text{n}$ — большое число (например, 13). Таким образом, вещество оказывает огромное сопротивление сжатию.

Силы притяжения

Силы межмолекулярного притяжения (известные как силы Ван-дер-Ваальса) действуют на бо́льших расстояниях по сравнению с силами отталкивания. Они возникают, в частности, из-за мгновенных флуктуаций в распределении электронного заряда, что создает временные диполи, которые, в свою очередь, наводят диполи в соседних молекулах и притягиваются к ним. Силы притяжения убывают с расстоянием, но значительно медленнее, чем возрастают силы отталкивания. Их зависимость от расстояния описывается как $F_{прит} \propto \frac{1}{r^m}$, где $m < n$ (например, $m=7$). Именно эти силы удерживают молекулы вместе в жидком и твердом состояниях.

Результирующая сила и равновесное расстояние

Суммарная сила, действующая между молекулами, является результатом сложения сил притяжения и отталкивания.

Существует определенное расстояние $r_0$, называемое равновесным расстоянием, на котором сила притяжения в точности уравновешивает силу отталкивания: $F_{прит} = F_{отт}$. В этой точке результирующая сила взаимодействия равна нулю, а система находится в наиболее устойчивом состоянии с минимальной потенциальной энергией.

Поведение результирующей силы в зависимости от расстояния $\text{r}$ можно обобщить так:

• При $r > r_0$ (молекулы находятся далеко друг от друга): Силы отталкивания пренебрежимо малы, и доминируют силы притяжения. Результирующая сила направлена на сближение молекул. С увеличением расстояния эта сила притяжения ослабевает, стремясь к нулю.
• При $r < r_0$ (молекулы находятся очень близко): Из-за очень быстрого роста сил отталкивания они начинают преобладать над силами притяжения. Результирующая сила становится силой отталкивания и препятствует дальнейшему сближению молекул.
• При $r = r_0$ (равновесное положение): Силы притяжения и отталкивания равны по величине и противоположны по направлению. Результирующая сила равна нулю.

Ответ: Силы притяжения и отталкивания между молекулами изменяются с расстоянием по-разному. Силы отталкивания являются короткодействующими и очень быстро возрастают при уменьшении расстояния (убывают с ростом $\text{r}$ быстрее, чем $1/r^7$). Силы притяжения являются более дальнодействующими и убывают с расстоянием медленнее (пропорционально $1/r^7$). Вследствие этого, на расстояниях больше равновесного ($r > r_0$) преобладают силы притяжения. На расстояниях меньше равновесного ($r < r_0$) преобладают силы отталкивания. На равновесном расстоянии ($r = r_0$) эти силы уравновешивают друг друга.