Cтраница 3
Графически состояние молекул можно изобразить в вит де точек в так называемом фазовом пространстве. Осями такого пространства выбираются координаты и импульсы молекулы. Для молекулы одноатомного газа, таким образом, фазовое пространство имеет шесть осей, для г-атомно-го газа 6г осей. [31]
Если бы молекула газа представляла собой материальную точку, она имела бы, выражаясь языком механики, три степени свободы движения - в трех взаимно перпендикулярных друг к другу направлениях. Любое ее движение можно было бы разложить на составляющие по этим направлениям. Мы можем назвать эти три степени свободы внешними или поступательными степенями свободы молекулы; молекулы одноатомных газов - гелия, неона, аргона - можно при известных условиях считать материальными точками. Конечно, такое представление чрезвычайно упрощено, но для объяснения причины появления дисперсии и аномального поглощения оно достаточно. Каждая сложная молекула, кроме трех ее внешних ( поступательных) степеней свободы, имеет еще внутренние степени свободы движений; атомы, входящие в состав молекулы, могут испытывать колебания друг относительно друга - колебательные степени свободы. [32]
Молекула двухатомного газа ( сюда относятся: водород Н2, азот N2, кислород 02, окись углерода СО и др.. Вращение двухатомной молекулы вокруг этой последней линии не должно приниматься в расчет. Формально оно не должно приниматься в расчет потому, - что при вращении вокруг этой оси, являющейся осью симметрии, положение молекулы в пространстве, определяемое ее геометрическим очертанием, не изменяется; с физической же точки зрения оно не должно приниматься в расчет потому, что благодаря малому моменту инерции энергия вращательного движения молекулы вокруг этой оси мала. По тем же причинам при определении числа степеней свободы молекулы одноатомного газа не принимаются в расчет ее вращательные движения. [33]
Поскольку разность температур двух каких-либо тел представляет собой меру отклонения этих тел от состояния теплового равновесия друг с другом, то очевидно, что наглядное молекулярно-кинетическое понимание теплового равновесия тесно связано с молекуляр-но-кинетическим пониманием температуры. Если исключить область весьма низких температур, где классическая теория неприменима ( и если оставить в стороне некоторые принципиальные трудности в статистической механике), то, как показал Максвелл, тепловое равновесие тел есть то состояние, когда у этих тел равны энергии, приходящиеся в среднем на одну степень свободы движения молекулы. Молекула двухатомного газа ( сюда относятся: водород Н2, азот N2, кислород О2, окись углерода СО и др.) имеет пять степеней свободы, так как кроме трех поступательных движений она может иметь еще два вращательных движения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, составляющих прямой угол с линией, соединяющей оба атома. Вращение двухатомной молекулы вокруг этой последней линии не должно приниматься в расчет. Формально оно не должно приниматься в расчет потому, что при вращении вокруг этой оси, являющейся осью симметрии, положение молекулы в пространстве, определяемое ее геометрическим очертанием, не изменяется. С физической же точки зрения оно не должно приниматься в расчет потому, что благодаря малому моменту инерции энергия вращательного движения молекулы вокруг этой оси мала. По тем же причинам при определении числа степеней свободы молекулы одноатомного газа не принимаются в расчет ее вращательные движения. [34]
Рассмотрим теперь случай, когда в верхней занятой зоне оста-этся незанятые энергетические уровни. Как мы увидим сейчас, этот случай отвечает металлам. Переход электронов на уровни этой части разрешенной зоны связан с приобретением ими добавочной энергии ( скорости), обусловливающей прохождение электрического тока. Начнем рассмотрение со случая, когда вещество обладает температурой, равной абсолютному нулю. Соответствующее этому случаю распределение электронов показано на рисунке 2.28, а: все нижние энергетические уровни заняты парами электронов с противоположными спинами. При Г0 К энергия всей системы, в том числе и электронов, должна быть наименьшей из всех возможных. Хотя электроны, расположенные на верхних уровнях, и обладают сравнительно большой энергией, но перейти в состояние с меньшей энергией они не могут: ведь эти состояния уже заняты другими электронами. Ее величина по порядку равна 10 - м эрг. Для сравнения отметим, что средняя кинетическая энергия молекул одноатомного газа при комнатной температуре ( Г 300 К) составляет всего лишь 5 - 10 - 14 эрг. [35]