Молекулярная физика

Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические и физико-химические свойства макроскопических тел в различных агрегатных состояниях, исходя из молекулярно-кинетических представлений об их строении. Молекулярная физика основывается на трех основных положениях:

• Все макроскопические тела состоят из очень большого числа частиц – молекул (атомов);
• Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение);
• Молекулы взаимодействуют друг с другом, притягиваясь на больших и отталкиваясь на малых расстояниях.

Основной задачей молекулярной физики является построение физической картины молекулярных явлений для объяснения наблюдаемого поведения веществ и предсказания новых явлений.

↑Основные области и методы исследований

Разделами молекулярной физики являются физика газов, физика жидкостей, физика твердых тел, а также физика необычных конденсированных систем (полимеры, жидкие кристаллы, наночастицы и др.). В них рассматриваются: строение вещества в различных агрегатных состояниях и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрических и магнитных полей), поведение вещества в экстремальных условиях, релаксационные процессы, фазовые переходы (конденсация, кристаллизация, испарение, плавление и др.), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), критическое состояние вещества, поверхностные явления на границе раздела фаз.

Общим для всех разделов молекулярной физики является теоретический подход, основанный на применении феноменологического (термодинамического) и статистического (молекулярного) методов исследования. Хотя эти методы качественно различны, они тесно связаны и взаимно дополняют друг друга. Термодинамический метод основан на началах термодинамики, имеющих общий характер и не использующих представления о молекулярном строении вещества. Молекулярно-кинетический подход подразумевает рассмотрение конкретной молекулярной модели вещества. Несмотря на внешние различия этих методов, они внутренне связаны между собой, поскольку все выводы, полученные из рассмотрения частных молекулярных моделей, должны согласовываться с общими выводами термодинамики.

↑История молекулярной физики, основные научные результаты и достижения

Современная молекулярная физика начала развиваться с XVII в., хотя понятие и термин «атом» возник еще в античный период (Левкипп, V в.до н.э., Демокрит, ок. 460-370 гг. до н.э., Эпикур, 341-270гг. до н.э.). Зарождение кинетической теории газов связывают с именем Д. Бернулли (D.Bernoulli) (1700-1782). Атомистические представления использовал М.В. Ломоносов (1711-1765). Первой современной формой физической атомистики является кинетическая теория газов, авторы которой А.К. Крёниг (A.K. Kronig, 1822-1879), Р.Ю. Клаузиус (R.J. Clausius, 1822-1888), Д.К. Максвелл (D.K. Maxwell, 1831-1879), Л. Больцман (L. Boltzmann, 1844-1906), Дж.У. Гиббс (J.W. Gibbs, 1839-1903) заложили также основы классической статистической физики. Квантовая механика привела к созданию квантовой кинетики и квантовой статистической физики.

Непосредственные доказательства реальности существования молекул были получены в начале XX века в работах Ж.Б. Перрена (J.B. Perrin,1870-1942) и Т. Сведберга (Th. Svedberg, 1874-1971), М. Смолуховского (M.Smoluchowski,1872-1917) и А. Эйнштейна (A. Einstein, 1879-1955), изучавших броуновское движение частиц.

Количественное изучение жидкости началось с работ Д. Бернулли и Л. Эйлера (L. Euler,1707-1783), Я.Д. Ван-дер-Ваальса (J.D. Van der Waals, 1837-1923), П-И.В. Дебая (P.I.W.Debye,1884-1966). Статистическую теорию жидкостей развивали Д.Г. Кирквуд (J.G. Kirkwood,1907-1959), М. Борн (M. Born, 1882-1970), Г.С. Грин (H.S. Green, 1920-1999), Н.Н. Боголюбов (1909-1992), Я.И. Френкель (1894-1952).

Развитие квантовой механики позволило исследовать специфические жидкости: жидкие металлы, а также квантовые жидкости и . Численные методы в теории жидкости начали интенсивно развиваться с 1957 г. и в настоящее время занимают ведущее место в изучении жидкости.

В становлении молекулярной физики твердого тела основополагающую роль сыграли работы О. Бравэ (O. Bravais, 1811-1863), Е.С. Федорова (1853-1919), А. Шёнфлиса (A. Schonflies,1853-1928), М. Лауэ (M.Laue, 1879-1960), П. Книппинга (P. Knipping, 1883-1935), В. Фридриха (W.Fridrich, 1883-1968), У.Г. и У.Л. Брэггов (W.H and W.L Bragg, 1862-1942, 1890-1971), Ю.В. Вульфа (1863-1925) и др. Квантовая теория твердых тел начала развиваться с 1926 г.

Физика полимеров и жидких кристаллов – это раздел молекулярной физики, связанный с изучением высокомолекулярных соединений. Он тесно примыкает к биофизике и химической физике. Нанофизика как наука об объектах, промежуточных между молекулами и конденсированными системами, в настоящее время переживает период своего рождения. У ее истоков стоял Р. Фейнман (R. Feynman, 1918-1988).

Современная теория межатомных взаимодействий построена на основе квантовых представлений в работах М. Борна, Ф. Лондона (F. London, 1900-1954), В. Гайтлера (W. Heitler,1904-1981) и др. Учение о межмолекулярных взаимодействиях первоначально начало развиваться в связи с изучением капиллярных явлений в классических работах А.К. Клеро (A.C. Clairault, 1713-1765), П.С. Лапласа (P.S. Laplace, 1749-1827), Т. Юнга (Th. Young, 1773-1829), С.Д. Пуассона (S.D. Poisson, 1781-1840), К.Ф. Гаусса (C.F. Gauss, 1777-1855), Дж.У. Гиббса, И.С. Громеки (1851-1889) и др., а также в более поздних работах П.А. Ребиндера (1898-1972) и Б.В. Дерягина (1902-1994). Непосредственное экспериментальное изучение сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия началось с разработки метода молекулярных пучков Л. Дюнуайе (L. Dunoyer, 1880-1963) и О. Штерном (O.Stern, 1888-1969).

Учение о фазовых переходах и критических явлениях возникли после появления работ Я. Ван-дер-Ваальса, У. Томсона (Кельвина) (W. Thomson, 1824-1907), Т. Эндрюса (T. Andrews, 1813-1885), Д.И. Менделеева (1834-1907) и др. и получила развитие в работах Дж.У. Гиббса, Л.Д. Ландау (1908-1968), В.Л. Гинзбурга (1916-2009) и др.

Исследования релаксационных процессов в газах ведут свое начало от работ А. Эйнштейна, П.Н. Лебедева (1866-1912), Г.О. Кнезера (H.O. Kneser, 1898-1973), М.А. Леонтовича (1903-1981), Л.И. Мандельштама (1879-1944), Л.Д. Ландау, Э. Теллера (E. Teller, 1908-2003) и др.

↑Молекулярная физика и смежные науки

Развитие молекулярной физики привело к выделению из нее многих самостоятельных разделов (статистическая физика, кинетика, физика конденсированного состояния, физическая химия, химическая физика, молекулярная биология, физико-химическая механика, физическая газовая динамика и др.). Представления молекулярной физики послужили основой для возникновения таких областей науки, как физика металлов, физика полупроводников, физика полимеров, физика поверхности, физика плазмы, нанофизика, теория тепло- и массопереноса и т.д.

При всем разнообразии объектов и методов исследования молекулярную физику объединяет общая идея, заключающаяся в описании макроскопических свойств на основе микроскопической (атомно-молекулярной) картины его строения.

↑Рекомендуемая литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.2, Термодинамика и молекулярная физика, М., 1975.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика, 2 изд, М., 1976.

3. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ. М., 1961.

4. Фортов В.Е. (ред). Физика экстремальных состояний вещества, сборник, 2002.

5. Осипов А.И., Сысоев Н.Н., Уваров А.В. Современная молекулярная физика. Неравновесный газ. Учебное пособие по курсу «Молекулярная физика». М. Физический факультет МГУ, 2006.