Молекулярна фізика

МОЛЕКУЛЯ́РНА ФІ́ЗИКА

– роз­діл фізики, що ви­вчає фі­зичні явища на молекулярному структурному рівні, роз­глядаючи атом як без­структурну частинку — точковий силовий центр. М. ф. має давню історію. У сучас. ви­­гляді сформульована понад сто­лі­т­тя тому.

У квантовій механіці існує т. зв. адіабатичне на­ближе­н­ня. Це ну­льове на­ближе­н­ня за малим па­раметром, яким є від­ноше­н­ням мас електрона та ядра. У цьому на­ближен­ні сили взаємодії між атомами виражаються через по­тенціал, що від­повід­ає енергії електрон. конфігурації атомів у найнижчому енергетич. стані. Ця особливість адіабатич. на­ближен­ня до­зволяє роз­глядати атом як точк. силовий центр. Саме така спрощена модель атома і по­кладена в основу М. ф., де фіз. систему роз­глядають як сукуп­ність точк. силових центрів, що взаємодіють. Часто роль сило­вого центра виконує група ато­мів або невеликих молекул. Оче­видно, що макро­скопічну пове­дінку фіз. системи диктує елек­трон­но-ядерна структура атомів. М. ф. при ви­вчен­ні тієї чи ін. фіз. системи не зважає на електро­ни та ядра. Але це зовсім не озна­чає, що М. ф. ігнорує вплив струк­тури атомів (вплив на поведінку системи від­бувається опосеред­ковано — через потенціал між­атом. взаємодії, ви­гляд якого ви­значається зга­даною структу­рою). У звʼязку із викори­станою моде­л­лю атома, очевидно, що квант. ефекти залишаються по­за увагою М. ф., і її теор. основою є класична статистична фізика.

У фізиці ви­значають природу явищ, що від­буваються в навколиш. сві­ті. Подібне зав­да­н­ня стоїть і пе­ред М. ф., тільки в цьому роз­ділі мету формулюють як ви­значен­ня молекуляр. механізму явищ. Роз­вʼязувати по­ставлене зав­дан­ня М. ф. здатна лише в рамках тієї спрощеної моделі матерії, що покладена в її основу. Такою моде­л­лю є раніше зга­дана мо­дель силових центрів. Тому ви­слів «встановити молекуляр. ме­ханізм явища» означає виясни­ти, як в процесі протіка­н­ня того чи ін. явища змінюється в про­сторі й часі роз­ташува­н­ня си­лових центрів, що складають до­сліджувану систему.

Кількість макро­скопіч. явищ не­злічен­на, отже, існує необхідність класифікувати ту величезну кіль­кість конкрет. про­блем, з якими стикається М. ф., тобто обʼ­єд­нати в окремі під­роз­діли ті задачі, що мають певні спільні ознаки. Нині існує 3 способи класифі­кації.

Перший спосіб полягає в обʼ­єд­нан­ні тих про­блем, що роз­вʼязують подіб. методами або певним окремим методом. При засто­суван­ні цього способу класифі­кації один із під­роз­ділів склада­ють задачі, повʼязані з дослідж. мех. властивостей міцності, пруж­ності, вʼязкості, вʼязкопружності, а точніше, із дослідж. молекуляр. механізмів, що об­умовлюють ці властивості. Необхідним елемен­том екс­перименту з ви­вче­н­ня мех. властивостей є дія зовн. мех. сили. Залежно від характеру дії остан­ньої в даному під­роз­ділі можна виділити окремі класи за­дач, а саме: залежність сили від часу є неперіодич. функцією — такі задачі обʼ­єд­нують під на­звою «молекулярна реологія»; на сис­тему діє періодична сила з інф­ра­звук. частотою, це– сфера ді­яльності методу внутр. тертя; якщо ж ідеться про звук. та уль­тра­звук. частоти, то тут мають справу із молекулярною акустикою. В ін. під­роз­ділі (його нази­вають молекуляр. теплофізикою) обʼ­єд­нано задачі з ви­вче­н­ня тепл. властивостей: теплоємності, тепл. роз­шире­н­ня, тепло­провід­ності. Як ві­домо, пере­раховані тепл. властивості є наслідком тепл. руху. Зро­зуміло, що у звʼязку з прийнятою в М. ф. моде­л­лю, йдеться про властивості, зумов­лені тепл. рухом атомів чи моле­кул. Ще один під­роз­діл склада­ють задачі, де досліджують елек­тричні властивості: електро­про­відність та ді­електрична релак­сація. І знову зга­дана модель накладає на тип таких задач певні обмеже­н­ня: це задачі, де фігу­рують точк. силові центри. Осо­бливість остан­ніх для даного під­­роз­ділу в тому, що серед них мо­жуть бути заряджені центри — іони. До М. ф. належать також деякі задачі, що стосуються маг­ніт. властивостей. Це дослідж. молекуляр. рухомості методом ядер. магніт. резонансу. В окре­мий роз­діл виділяють задачі, в яких ви­вчають роз­сія­н­ня речо­виною різних типів ви­проміню­ва­н­ня: світла (в цьому випадку вживають термін «молекулярна оптика»), рентґенів. та нейтрон. ви­промінюва­н­ня. Обʼ­єд­нує ці за­дачі одна спіл. риса: роз­сія­н­ня роз­глядають як результат вза­ємодії ви­промінюва­н­ня з точк. силовими центрами, що в цьо­му випадку називають центрами роз­сія­н­ня. Саме це й до­зволяє від­нести зга­дані задачі до сфе­ри М. ф.

Другий спосіб класифікації за­дач М. ф. — за фазовими стана­ми речовини. При за­стосуван­ні цього способу одним із під­роз­ділів є фізика газів. Ще один під­­роз­діл — фізика твердого тіла. Йдеться про кри­сталічні та аморф­ні тверді тіла. Тут варто знову під­­креслити, що мова йде лише про задачі, в яких атом ви­ступає як без­структурна частинка. Тому до­цільним було б говорити в тако­му випадку про М. ф. твердого тіла. Сюди від­носять ви­вче­н­ня тепл. властивостей. Характерно, що для кри­сталів вживають спец. терміни: «ґратчаста теплоєм­ність», «ґратчаста тепло­провід­­ність» — для за­значе­н­ня того фак­ту, що такі властивості об­умов­лені тепл. рухом атомів як ціло­го. Дослідж. мех. властивостей твердого тіла має свою специ­фіку. Вони знач. мірою ви­знача­ються поведінкою дефектів струк­тури — вакансій, дис­локацій та ін. Від­повід­но теорія утворе­н­ня цих дефектів посідає одне з чільних місць в М. ф. твердого тіла. По­рівняно із фізикою газів та М. ф. твердого тіла нині най­актуальні­шими є про­блеми фізики рідкого стану. У цьому під­роз­ділі ви­вча­ють два класи речовин: рідини та рідин­ні системи. До першого кла­су зараховують атомарні, моле­кулярні, іонно-електрон­ні та іон­ні рідини; до другого класу– роз­­чини: ізотопні, атомарні, моле­кулярні та іонні; рідин­ні суміші (серед них особливого значен­ня у звʼязку із за­стосува­н­ням у медицині мають суміші, що міс­тять фулерени та нанотрубки); колоїдні системи (піни, емуль­сії, суспензії, колоїдні системи з саморганізацією), рідкі криста­ли. Досліджують нерівноваж. і рівноваж. стани зга­даних сис­тем. Для рівноваж. стану рідин осн. зуси­л­ля зосереджено на ви­вчен­ні його найважливішої харак­теристики — рівнян­ні стану — за­лежності між обʼємом системи, тиском і т-рою. Для рідин. сис­тем до цих величин додаються концентрації речовин, що вхо­дять до складу системи. При пе­ревищен­ні певної т-ри, яку на­зивають критичною, виникає кри­тич. стан речовини, в якому зни­кає різниця між газом і рідиною. Особливістю критич. стану є той факт, що в околі критич. точки сильно флуктуюють макроско­пічні параметри, що описують поведінку системи. Умови існу­ва­н­нятієї чи ін. фази, виникнен­ня критич. стану ви­вчає фізика фазових пере­ходів. При контак­ті областей, що знаходяться в різних фазових станах, побл. по­верх­ні контакту виникають при­меж. шари з особливою струк­турою. Дослідж. поведінки цих структур складає зміст фізики поверх­невих явищ.

При за­стосуван­ні третього спо­собу класифікації обʼ­єд­нують про­блеми, спільні для певного класу обʼєктів дослідж., або на­віть виділяють в окремий під­роз­діл все, що стосується певного окремого обʼєкта. Це спосіб кла­сифікації за типом речовини (обʼєкта). Прикладом під­роз­ділу М. ф., що від­повід­ає певному класу речовин, є фізика рідких кри­сталів. Спільна риса цього кла­су речовин– стержнеподібна фор­ма їхніх молекул. Саме ця обста­вина диктує специфіку поведін­ки зга­даних речовин: анізотро­пію властивостей і, як наслідок, здатність до орієнтації під дією електрич. та магніт. полів, що спричиняє широке за­стосува­н­ня рідких кри­сталів у техніці. Ще од­ним прикладом під­роз­ділу тако­го типу може бути фізика полі­мерів та біполімерія. Тут спіль­ною є ланцюг. будова молекул. Такий ланцюг може мати різні конфігурації. Завдяки знач. довжині ланцюга число конфігура­цій величезне. Цей факт і визна­чає спільні риси в поведінці таких, здавалося б, різних молекул, як, напр., молекула поліетилену, син­тезована в лабораторії, і молеку­ли, що їх створила природа: біл­ки та ДНК. М. ф. націлена на ви­­значе­н­ня молекуляр. природи явищ навколиш. світу. Таким яви­щем є людина, що як і всі інші обʼєкти навколиш. світу, має пев­ну атомно-молекулярну будову. То ж пі­зна­н­ня цієї будови, за логі­кою речей, також мусить входи­ти в сферу діяльності М. ф. Від­по­від. під­роз­діл — фізика людини, або молекулярна мед. фізика. Прикладом «вторгне­н­ня» М. ф. в межі медицини може слугувати встановле­н­ня молекуляр. меха­нізму електрозварюва­н­ня живих тканин. Деякий час не­зро­зумілим залишалося пита­н­ня, що утри­мує тканини після закінче­н­ня про­цесу електрозварюва­н­ня. Це пи­та­н­ня вирішили на молекуляр. рівні. Виявилося, що в процесі електрозварюва­н­ня в зоні кон­такту зварюваних тканин всти­гає утворитися полімерна кола­генова сітка, спільна для обох тка­нин. Саме ця сітка і не дає мож­ливості тканинам роз­ʼ­єд­натися, забезпечуючи їх подальшу ре­генерацію в зоні зварюва­н­ня.

За­звичай, у випадку, коли сис­тема в цілому знаходиться в не­рівноваж. стані, її роз­глядають як певну сукупність, де встигає встановитися локал. рівновага, і називають фіз. нескінчен­но ма­лим обʼємом. У фізиці суцільних середовищ роз­мір цієї області вважають нескінчен­но малою ве­личиною. Від­повід­но фіз. нескін­чен­но малий обʼєм пере­творю­ється в матем. нескінчен­но ма­лий обʼєм. Нині це частинка су­ціл. середовища, матеріал. точка континуума. Систему нерівно­стей L1<>L3, коли фіз. не­скінчен­но малий обʼєм фактич­но пере­творюється в точку, ми маємо справу з фізикою суціл. середовищ, у випадку L2<атомної фізики, а при масш­табі h<ядерної фізики. Кож­ному із зга­даних ліній. роз­мірів від­повід­ає певний характер. час. Для роз­міру L2~10-10м це час τ2~10-12 сек. Для роз­міру L3 це встановлений час локал. рівно­ваги τ3~10-10 сек. Встановле­н­ня локал. рівноваги означає, що від­­повід­ному фіз. нескінчен­но ма­лому обʼємові можна приписа­ти певне значе­н­ня т-ри T. Після цього стають можливими випад­кові блука­н­ня частинок– дифу­зій. рух. Цей тип тепл. руху є послі­довністю елементар. пере­міщень частинки, кожна з яких су­прово­джується подола­н­ням енергетич. барʼєру Δu. Час між послідов. пере­міще­н­нями ви­значається формулою τ~τ2 exp (Δu/kвT), де kв — стала Больцмана. У випадк. блука­н­нях беруть участь частин­ки різних роз­мірів. Від­повід­но виникає набір часів τ, що своєю нижньою границею мають зна­че­н­ня порядка 10-10 сек., а верх. — значе­н­ня порядка 1 сек. Від­по­відно зга­дані дифузійні процеси досліджують різними методами, починаючи з методу внутр. тертя, акустики і радіометодів та закін­чуючи методами ядер. магнетич. резонансу та квазіупруж. і непруж. роз­сія­н­ня тепл. нейтронів.

З точки зору простор. ієрархії до­тичними до М. ф. є, з одного боку, атомна та ядерна фізика, а з ін. — фізика суціл. середовищ. Вплив фізики суціл. середовищ на М. ф. виявляється у викорис­тан­ні т. зв. змішаних моделей структури, в яких на рівних пра­вах фігурують і молекули, і ділян­ки суціл. середовища. Такою, напр., є модель роз­чину, за­про­понована А. Айнштайном, де роз­­чин­ник роз­глядають як суціл. се­редовище. Існує і зворот. вплив: ідеї М. ф. знаходять роз­виток у фізиці суціл. середовищ. Модель суціл. середовища часто вико­ристовують в космології. У цій моделі вважають, що матерія не­перервно роз­поділена в просто­рі. Напр., введено поня­т­тя «гус­тина мас» — густина, усередне­на областями простору, роз­міри яких великі порівняно із від­ста­нями між окремими макроско­піч. тілами. Поширені також по­ня­т­тя «густина енергії», «тиск». Рівня­н­ня стану тут роз­глядають як залежність між тиском і густи­ною енергії. У рамках такої кос­мологіч. моделі за­стосовують рів­ня­н­ня стану, запозичені із М. ф. Під час ви­вче­н­ня змін, що від­­буваються з матерією, виявля­ються корисними результати, отримані у фізиці фазових пере­­ходів. У М. ф. існують також звʼязки з «сусідами» за ієрархією з ін. боку. Варто згадати хоча б одну з моделей ядер. фізики, в якій ядро роз­глядають як краплю рі­дини з усіма притаман. рідині атрибутами — такими, як, напр., поверх­нева енергія.