Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 5. Рух і взаємодія частинок речовини

Що заважає фізичним тілам розпастися на окремі молекули? Вони спокійнісінько лежать роками майже незмінними. Дослідники знаходять метеорити, вік яких складає мільярди років. Вони теж не розсипалися на окремі молекули. Чому так відбувається? Відповідь на це та багато інших запитань ви отримаєте в цьому параграфі.

1. Чи існують загальні «правила поведінки» атомів і молекул?

Продовжимо знайомитися з мікросвітом. Ідею, що речовина складається з маленьких тілець — атомів (у перекладі з грецької — «неподільні»), висловив давньогрецький філософ Демокрит (бл. 460-370 рр. до н. е.) майже 25 століть тому. Зараз ми маємо безліч підтверджень існування атомів і молекул, є навіть знімки окремих атомів. Але тоді ідею Демокрита просто забули. Її повернення відбулося лише в XIX ст. Саме тоді почалися інтенсивні дослідження та було створено молекулярно-кінетичну теорію (скорочено МКТ).

Докладно вивчати МКТ ви будете в майбутньому, а зараз сформулюємо три основні її положення.

Три основні положення молекулярно-кінетичної теорії

1. Усі речовини складаються із частинок — молекул, атомів, йонів; між частинками є проміжки.
2. Частинки речовини перебувають у безперервному хаотичному (безладному) русі; такий рух називають тепловим.
3. Частинки речовини взаємодіють одна з одною (притягуються та відштовхуються).

2. Які докази підтверджують безперервний хаотичний рух частинок речовини?

Із 5 класу вам відомий такий процес, як дифузія (від латин. diffusio — поширення, розтікання). Нагадаємо його визначення.

Дифузія — процес самовільного проникнення молекул однієї речовини в проміжки між молекулами іншої речовини, унаслідок чого відбувається перемішування дотичних речовин.

Причиною дифузії є безперервний хаотичний рух частинок речовини (молекул, атомів, йонів). Завдяки такому рухові речовини перемішуються без жодного зовнішнього втручання.

Підтвердимо це за допомогою досліду. У прозору посудину з водою наллємо водний розчин мідного купоросу так, щоб рідини не змішалися (рис. 5.1). Спочатку спостерігатимемо чітку межу між водою і розчином, проте, залишивши посудину у спокої на кілька днів, побачимо, що вся рідина набула бірюзового кольору (рис. 5.2), тобто рідини самовільно змішалися.

Рис. 5.1. За допомогою лійки можна акуратно налити розчин мідного купоросу на дно склянки з водою

Рис. 5.2. Процес дифузії та його схематичне зображення: молекули на межі розподілу речовин «міняються місцями», і в результаті із часом речовини повністю перемішуються

Безперервний хаотичний рух частинок речовини називають тепловим рухом, тож природним є припущення, що за більш високої температури цей процес прискориться. Дійсно, в теплому місці дифузія води та мідного купоросу пришвидшується.

Згадайте курс природознавства та наведіть приклади застосування дифузії в природі, житті людини, техніці. Доведіть, що зі збільшенням температури процес дифузії пришвидшується.

3. Чи можна навести переконливіші докази руху частинок?

Ще приблизно 150-200 років тому атомна структура речовини була предметом запеклих дискусій. Перемогу атомістики остаточно закріпило відкриття обґрунтування броунівського руху.

Броунівський рух — хаотичний рух видимих у мікроскоп малих макрочастинок, завислих у рідині або газі, який відбувається під дією ударів молекул рідини або газу.

Цей рух отримав назву на честь шотландського ботаніка Роберта Броуна (1773-1858), який першим спостерігав його в 1827 р. Розглядаючи в мікроскоп завислі у воді пилкові зерна, Броун помітив, що вони весь час рухаються, постійно змінюючи швидкість.

Рис. 5.3. Механізм виникнення броунівського руху

Зрозуміло, що причина броунівського руху — хаотичний рух молекул середовища (рис. 5.3.) Рухаючись, молекули середовища безперервно штовхають завислу в ньому броунівську частинку. При цьому, якщо ця частинка досить мала (1 мкм), то сумарна сукупність ударів з одного боку може випадково виявитися більшою, ніж з іншого боку. Тобто молекули «підштовхнуть» броунівську частинку в певний бік. За мить поштовх буде в інший бік і так далі. Результат — хаотичний рух, який і спостерігав Броун. Пояснення виглядає переконливим, але ж це не доказ. Саме тому у 1905-1906 рр. А. Ейнштейном і польським фізиком М. Смолуховським була створена математична модель броунівського руху. Розрахунки збіглися з експериментальними вимірюваннями французького фізика Ж. Перрена (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Одна з майже тисячі схем, отриманих Жаном Перреном, який позначав положення броунівської частинки через рівні (1 с) інтервали часу. Зрозуміло, що справжня траєкторія руху частинки містить ще більше ланок

Спробуйте тепер самостійно відповісти, чому більші частинки «топчуться» на місці? Чому зі збільшенням температури рідини швидкість руху броунівської частинки збільшується?

4. А як можна «побачити» взаємодію молекул?

Ми з’ясували, що молекули перебувають у безперервному хаотичному русі. Роз’яснімо третє, останнє положення МКТ.

Хаотичний рух молекул без обмежень повинен призвести до розльоту всіх молекул навсібіч. Але тверді тіла роками зберігають свою форму. Вони не тільки залишаються незмінними довгий час, а навпаки, щоб їх розтягти, зламати, розірвати, потрібно докласти зусиль. Причина криється в притяганні між молекулами. Саме завдяки міжмолекулярному притяганню тверді тіла зберігають свою форму, рідина збирається в краплини (рис. 5.5), клей прилипає до паперу, пружина, яку розтягнули та відпустили, набуває вихідної форми.

Рис. 5.5. Провислу краплю води деякий час утримують від падіння сили притягання між молекулами

Якщо між молекулами є притягання, то чому розбита чашка не стає цілою після того, як її уламки притиснуть один до одного? Пояснити це можна тим, що міжмолекулярне притягання стає помітним тільки на дуже малих відстанях — таких, які можна порівняти з розмірами самих молекул. Коли ми притискаємо один до одного уламки чашки, то через нерівність поверхні на зазначені відстані зближується незначна кількість молекул. А відстань між більшою їх частиною залишається такою, що молекули майже не взаємодіють.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: м’яка пружинка (або тонка гумова стрічка); чиста металева (або скляна) пластинка; блюдце з водою.

Продемонструйте за допомогою цього обладнання, що між молекулами води та металу (скла) існують сили притягання. Опишіть свої дії, зробіть фотографії.

Молекули не лише притягуються одна до одної, а й відштовхуються. Зазвичай у рідинах і твердих тілах притягання врівноважується відштовхуванням. Але якщо стискати рідину або тверде тіло, то відстань між молекулами зменшиться і міжмолекулярне відштовхування стане сильнішим, ніж притягання.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що занадобиться: пластикова пляшка з водою, монетка.

Спробуйте стиснути закриту пластикову пляшку, до країв заповнену водою, або монетку — ви відчуєте, що змінити їхні розміри або форму без додаткових засобів неможливо.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Блогер у своєму репортажі пояснював слухачам, що із двох уламків лінійки неможливо без сторонніх засобів отримати єдине ціле, оскільки між молекулами лінійки діють сили відштовхування. Чи поділяєте ви думку блогера?

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке дифузія? Наведіть приклади проявів дифузії. 2. У чому причина броунівського руху? 3. Сформулюйте основні положення МКТ. 4. Який рух називають тепловим? 5. Як можна довести, що між частинками речовини існують проміжки? 6. Чому тверді тіла та рідини не розпадаються на окремі частинки? 7. За якої умови взаємодія між частинками речовини стає помітною?

ВПРАВА № 5

1. З’ясовано, що через стінки капілярів в організмі людини переміщується 60 л рідини за хвилину. Завдяки якому фізичному явищу це відбувається?

2. Є два способи підживлення рослин: поливання спеціальними розчинами (прикореневе підживлення); обприскування (позакореневе підживлення). Поясніть обидва способи.

3. Чому для того, щоб розірвати нитку, потрібно докласти зусиль?

4. Ознайомтеся з додатковим матеріалом за QR-кодом або посиланням rnk.com.ua/106647. Висловіть свою думку щодо «зміни уявлень».