Силы какой природы осуществляют притяжение и отталкивание молекул или атомов

Обновлено: 02.07.2024

Гравитация, силы при тяжения и отталкивания электрических зарядов, атомов, молекул, физических тел – на самом деле, имеют единую природу. Секрет всех этих взаимодействий, оказывается, кроется в едином, фундаментальном, элементарном взаимодействии элементарной частицы материи с энергией. надо только по-иному, нежели принято, посмотреть на элементарную частицу материи и субстанцию “энергия”.

В этом случае мы получим так называемое “единое поле всех видов взаимодействий” (и гравитации, и электрических взаимодействий, и магнитных, и ядерных, и слабых … ) – в поисках которого наука находится уже более ста лет…

В данной статье мы рассмотрим, как могут возникать силы гравитации и все виды сил притяжения и отталкивания.

Взаимодействием протонов и электронов объясняются все процессы притяжения и отталкивания между элементарными частицами, атомами, молекулами.
Гравитационные взаимодействия подразумевают только силы притяжения.

Копнуть глубже не получается. Природу возникновения сил притяжения и отталкивания наука не объясняет. Объяснения ограничиваются только этим:

одноименные заряды отталкиваются потому что они одноименные;
разноименные заряды притягиваются потому что они разноименные.

Представим, что элементарная частица непрерывно движется в пространстве вселенной. И, при этом, она непрерывно поглощает энергию.

Чтобы легче было понять физику явления, проведем некоторые аналогии.

Итак, наш насос заглотнул жидкость. В этом месте образовалась пустота. Немедленно, жидкость из ближайшего окружения ринется в эту пустоту, восстанавливая свою плотность.

При этом, жидкость будет двигаться к раструбу со всех сторон пространства . Тогда, благодаря сцеплению с поверхностью насоса, эти потоки придадут ему импульс движения (ведь раструб находится на острие вектора движения насоса).

Получаем два эффекта:

Получаем замкнутый круг:

А что происходит с жидкостью около “насоса”?

В “раструб” нашего “насоса” попадает жидкость только со стороны встречного направления. Это понятно: Наш “насос” непрерывно движется. И в него “заходит” жидкость только с той стороны, куда он движется (“Насос” сам, активно, не “всасывает” жидкость. Он поглощает только то, что в него “попало”).

Теперь представим, что рядом, параллельно друг другу, движутся два идеальных насоса.

Отметим, что в результате непрерывного поглощения ими жидкости, между ними образуется область жидкости с меньшей плотностью. То есть – область разрежения жидкости.

Эту закономерность вам, опять-таки, подтвердит любой специалист по аэрогидродинамике.

И подчиняется она, догадайтесь, какой формуле? – знаменитой формуле Ньютона:

Теперь перенесем все наши рассуждения о “взаимодействии “насоса” с “жидкостью” – на элементарную частицу материи и энергию.

Элементарная частица материи непрерывно движется в пространстве вселенной, непрерывно поглощая свободную энергию пространства вселенной. Причем, поглощает независимо от других частиц, даже если она входит в состав материального тела. Планеты – например.
Благодаря этому поглощению, элементарная частица материи непрерывно наращивает скорость своего поступательного движения. То есть – движется с ускорением.

Потоки свободной энергии движутся в пространстве с константой скорости – скоростью света.
Благодаря непрерывному поглощению энергии из пространства, элементарная частица создает потоки энергии, направленные к ней. Этими потоками, элементарная частица притягивает к себе другие элементарные частицы, попавшие в эти потоки. Это есть сила притяжения.
Благодаря непрерывному наращиванию скорости элементарной частицей, позади ее точки поглощения энергии образуется постоянная область сгущения свободной энергии повышенной плотности. Эта область формирует силу отталкивания: Все частицы, на траектории движения которых окажется это сгущение, в обязательном порядке изменят направление своего движения, огибая это сгущение.

Элементарная частица материи представляет собой ДИПОЛЬ, обладающий как силой притяжения, так и силой отталкивания.

СИЛА ПРИТЯЖЕНИЯ элементарной частицы материи образуется потоками свободной энергии, направленными к точке поглощения энергии, в результате непрерывного движения элементарной частицы в пространстве.

СИЛА ОТТАЛКИВАНИЯ элементарной частицы материи образуется сгущением свободной энергии позади точки поглощения энергии, в результате непрерывного движения элементарной частицы в пространстве.

Эти силы притяжения и отталкивания формируют все материальные тела во вселенной, образуют все виды взаимодействия:

и слабые,
и ядерные,
и химические,
и электромагнитные,
и гравитацию,
и коллапс…

Обо всем этом читатель может прочитать на нашем сайте.

Известно, что все вещества состоят из молекул, между которыми есть межмолекулярные расстояния. Молекулы непрерывно беспорядочно движутся, скорость их движения зависит от температуры. При нагревании объем тел увеличивается, при охлаждении уменьшается, так как изменяются расстояния между молекулами.

Если между молекулами есть расстояния, почему тела не распадаются на отдельные молекулы? Попробуем отделить часть от какого-либо тела, например, отделить небольшой кусок от деревянной линейки или карандаша, отделить капельку воды, отделить кусочек ластика.

Капельку воды отделить легко, но от твердых тел отделить небольшую часть трудно, так как между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекула притягивает к себе соседние молекулы и сама притягивается к ним. Когда мы ломаем линейку или отрываем кусочек бумаги, то преодолеваем силу притяжения молекул. В разных веществах взаимное притяжение молекул различно, поэтому, например, стальной трос намного прочнее обычной веревки.

Попробуем соединить оторванные куски бумаги, собрать и соединить осколки разбитой чашки. Если между молекулами есть притяжение, то они должны соединиться, но этого не происходит. А вот две капли воды сливаются в одну, два куска пластилина можно соединить. Были проведены опыты с кусками свинца. Если их плотно прижать срезанными поверхностями, то они сцепляются. Из этих опытов можно сделать вывод: притяжение молекул заметно на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул. Кусочки стекла из-за неровностей не удается сблизить на расстояние, на котором проявляется притяжение молекул, и поэтому их невозможно соединить. Но если стекло нагреть, то оно размягчается, а осколки соединяются.

Если между молекулами есть притяжение, то почему между ними есть промежутки? Если сжать деревянный брусок, его размеры заметно не изменятся. Что мешает молекулам бесконечно сближаться? Дело в том, что одновременно с притяжением между молекулами существует и отталкивание. Например, сжатый ластик восстанавливает свою форму, так как молекулы при сжатии сближаются и начинают друг от друга отталкиваться.

Итак, на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, заметнее проявляется притяжение молекул, а при дальнейшем сближении молекулы отталкиваются друг от друга.

Взаимодействием молекул объясняются такие физические явления, как смачивание и несмачивание. Две прижатые друг к другу обычные стеклянные пластинки можно легко разъединить, но если смочить водой, то отделить их друг от друга будет непросто. Два сухих листа бумаги не соединяются, если же их намочить, то листы слипаются.

Стеклянную пластинку, подвешенную к пружинке трудно оторвать от поверхности воды, пружина заметно растягивается. На пластине при этом останутся капельки воды, то есть вода смачивает стекло.

Жидкость смачивает твердое тело, если молекулы жидкости сильнее притягиваются к молекулам твердого тела, чем друг к другу.

Жидкость не смачивает твердое тело, если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела. Например, парафин, воск, жирные поверхности не смачиваются водой, стекло не смачивается ртутью. Если твердое тело не смачивается, то жидкость на его поверхности не растекается тонким слоем, а собирается в круглые капельки.

Явления смачивания и несмачивания используются на практике. Мы пишем ручкой, жидкость в которой смачивает бумагу, вытираемся полотенцами, сделанными из ткани, которая хорошо смачивается водой и впитывает ее. Окрашивание, склеивание также основано на смачиваемости материалов. Водоплавающие птицы смазывают перья жиром, поэтому остаются сухими в воде.

Между молекулами вещества есть притяжение и отталкивание. На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, проявляется притяжение молекул друг к другу. На расстояниях, меньше размеров молекул, проявляется отталкивание молекул друг от друга.

Притяжением молекул объясняется смачивание тел.

Смачивание – это явление, при котором молекулы жидкости сильнее притягиваются к молекулам твердого тела, чем друг к другу. Вода смачивает дерево, стекло, кожу, кирпич и многие другие вещества.

Несмачивание – это явление, при котором молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к молекулам твердого тела.`

Доказать существование значительных сил взаимодействия между атомами или молекулами несложно. Попробуйте-ка сломать толстую палку! А ведь она состоит из молекул.

Существование сил притяжения между атомами может доказать такой наглядный опыт. Надо взять два свинцовых бруска и острым ножом срезать тонкие слои с их торцов. При достаточном навыке срезы получаются гладкими и чистыми, свободными от оксидов свинца. Если плотно прижать бруски друг к другу свежими срезами, то они слипнутся. После этого можно один из брусков нагрузить гирей в несколько килограммов, но разрыва брусков не произойдет. Силы притяжения между атомами оказываются достаточными, чтобы предотвратить разрыв.

Если бы между молекулами не существовало сил притяжения, то вещество при любых условиях находилось бы в газообразном состоянии. Только благодаря силам притяжения молекулы могут удерживаться около друг друга и образовывать жидкие и твердые тела.

Но кроме сил притяжения между молекулами должны действовать силы отталкивания. В том, что между атомами или молекулами при непосредственном их сближении появляются силы отталкивания, убедиться очень просто. Если бы таких сил не существовало, то вы свободно могли бы проткнуть пальцем толстую стальную плиту. Более того, без появления сил отталкивания на очень малых расстояниях между молекулами вещество не могло бы существовать. Молекулы проникли бы друг в друга, и весь кусок вещества сжался бы до объема одной молекулы.

Представления о существенной роли межмолекулярных сил для описания свойств газов впервые ввел нидерландский физик Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1837—1923). Он не пытался установить точную зависимость сил от расстояния. Ван-дер-Ваальс считал, что на малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, которые с увеличением расстояния сменяются силами притяжения, сравнительно медленно убывающими при дальнейшем увеличении расстояния. Силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми силами.

Электромагнитная природа молекулярных сил

Приступить к теоретическому исследованию молекулярных сил до начала XX в. было почти невозможно. Простые и хорошо изученные гравитационные силы при взаимодействии столь малых тел, как молекулы, явно не могли играть заметной роли. Оставалось предположить, что молекулярные силы имеют электромагнитную природу.

Любой атом и тем более молекула — это сложная система, состоящая из большого числа заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, между ними действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие между электронами и ядрами соседних молекул. Описание движения частиц внутри атомов и молекул — очень сложная задача. Ее рассматривают в атомной физике и решают с помощью законов квантовой механики. Мы ограничимся качественным рассмотрением межмолекулярных сил различных типов и потом приведем конечный результат: примерную зависимость сил взаимодействия двух молекул от расстояния между ними.

Ориентационные силы

У многих молекул, например у молекулы воды, распределение положительных и отрицательных зарядов таково, что в среднем центры этих зарядов не совпадают. Такую молекулу приближенно можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов +q и -q на небольшом расстоянии l друг от друга (рис. 2.7). Эта система зарядов называется электрическим диполем(1). Электрические свойства такой молекулы характеризуются дипольным моментом

где q — абсолютное значение заряда.

Рассчитывать значения дипольных моментов молекул на первых порах не умели. До создания квантовой механики это вообще было невозможно.

Но если считать дипольные моменты р₁ и р₂ двух молекул известными, то зависимость силы взаимодействия между ними от расстояния можно вычислить.

Для этого нужно только знать закон взаимодействия двух точечных электрических зарядов. Этот закон (закон Кулона) уже давно был известен. Сила притяжения двух диполей максимальна, когда они располагаются вдоль одной линии (рис. 2.8). Эта сила возникает из-за того, что расстояние между разноименными зарядами, находящимися в точках 2 и 3, чуть меньше, чем между одноименными, расположенными в точках 1, З и 2, 4.

Сила взаимодействия диполей зависит от их взаимной ориентации. Поэтому она называется ориентационной. Хаотическое тепловое движение непрерывно меняет ориентацию молекул-диполей. Учитывая это, силу взаимодействия диполей нужно вычислять как среднюю по всевозможным ориентациям. Расчеты приводят к следующему результату: сила притяжения пропорциональна произведению дипольных моментов р₁ и р₂ молекул и обратно пропорциональна расстоянию между ними в седьмой степени:

Это очень быстрое убывание по сравнению с силой взаимодействия точечных заряженных частиц, которая пропорциональна .

Индукционные (поляризационные) силы

Можно указать еще одно достаточно простое взаимодействие молекул. Оно возникает между двумя молекулами, одна из которых обладает дипольным моментом, а другая — нет.

Дипольная молекула создает электрическое поле, которое поляризует молекулу с электрическими зарядами, равномерно распределенными по объему. Положительные заряды смещаются по направлению линий напряженности электрического поля, а отрицательные — против. В результате неполярная молекула растягивается (поляризуется) и у нее возникает дипольный момент (рис. 2.9).

Силу взаимодействия можно рассчитать и в этом случае. Она пропорциональна дипольному моменту р полярной молекулы, некоторой величине α, характеризующей способность неполярной молекулы поляризоваться (она называется поляризуемостью), и обратно пропорциональна седьмой степени расстояния между молекулами:

Эти силы притяжения называются индукционными или поляризационными, так как они возникают благодаря поляризации молекул, вызванной электростатической индукцией.

Дисперсионные силы

Хорошо известно, что силы притяжения существуют и между неполярными молекулами. Например, атомы инертных газов не имеют дипольного момента, но тем не менее притягиваются друг к другу.

Расчет, выполненный в рамках квантовой механики, приводит к выводу, что сила взаимодействия в этом случае пропорциональна произведению поляризуемостей молекул α₁ и α₂ и обратно пропорциональна седьмой степени расстояния:

Эти силы называются дисперсионными, потому что дисперсия света (зависимость показателя преломления света от частоты) определяется теми же свойствами молекул, что и рассмотренные силы.

Дисперсионные силы действуют между всеми атомами и молекулами, так как механизм их проявления не зависит от того, есть ли у них постоянные дипольные моменты или нет. Обычно эти силы превосходят как ориентационные, так и индукционные силы. Только при взаимодействии молекул с большими дипольными моментами, например молекул воды, ориентационная сила оказывается больше дисперсионной (для молекул воды в 3 раза). При взаимодействии же таких полярных молекул, как СО, НСl, дисперсионные силы в десятки и сотни раз превосходят другие силы.

Существенно, что все три типа сил притяжения одинаковым образом убывают с расстоянием пропорционально . Впрочем, на расстояниях, в несколько раз больших размеров молекул, начинает сказываться конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из-за этого на расстояниях порядка 10 -5 см силы притяжения начинают убывать уже .

Силы отталкивания

Теперь обратим внимание на силы отталкивания, действующие между молекулами на очень малых расстояниях. С одной стороны, ситуация здесь проще, а с другой — сложнее. Проще в том смысле, что эти силы очень быстро возрастают при сближении молекул, и поэтому та или иная быстрота изменения силы с расстоянием не оказывает заметного влияния на течение любых процессов.

Сложность состоит в том, что силы отталкивания в значительно большей мере, чем силы притяжения, зависят от индивидуальности молекул. Зная, как молекула А отталкивает молекулы В и С, мы еще не в состоянии судить, какие силы отталкивания будут действовать между молекулами В и С. При непосредственном сближении молекул их электронные оболочки начинают перекрываться и особенность строения молекул сказывается в большей степени, чем при больших расстояниях между ними.

К достаточно хорошим результатам приводит допущение, что силы отталкивания возрастают при сближении молекул по закону

Учитывая, что силы притяжения с уменьшением расстояния увеличиваются пропорционально , а силы отталкивания — пропорционально , можно примерную зависимость сил от расстояния изобразить графически.

График зависимости молекулярных сил от расстояния между молекулами

Рассмотрим, как меняется в зависимости от расстояния между молекулами проекция результирующей силы взаимодействия между ними на прямую, соединяющую центры молекул. Если молекулы находятся на расстояниях, превышающих их размеры в несколько раз, то силы взаимодействия между ними практически не сказываются. Силы взаимодействия между молекулами короткодействующие.

На расстояниях, превышающих 2—3 диаметра молекул, сила отталкивания практически равна нулю. Заметна лишь сила притяжения. По мере уменьшения расстояния сила притяжения возрастает и одновременно начинает сказываться сила отталкивания. Эта сила очень быстро увеличивается, когда электронные оболочки молекул начинают перекрываться.

На рисунке 2.10 графически изображена зависимость проекции F_r силы взаимодействия молекул от расстояния между их центрами. На расстоянии г₀, примерно равном сумме радиусов молекул, F_r = 0, так как сила притяжения равна по модулю силе отталкивания. При г > г₀ между молекулами действует сила притяжения. Проекция силы, действующей на правую молекулу, отрицательна. При г

На рисунке 2.11 вы видите изображение полимерных цепей аминокислоты аланина, полученное с помощью АСМ. Каждый бугорок представляет собой одну молекулу аминокислоты.

В настоящее время сконструированы атомные микроскопы, устройство которых основано на действии молекулярных сил притяжения на расстояниях, в несколько раз превышающих размеры атома. Эти силы примерно в 1000 раз меньше сил отталкивания в АСМ. Поэтому применяется более сложная чувствительная система для регистрации сил.

Атомы и молекулы состоят из электрически заряженных частиц. Благодаря действию электрических сил на малых расстояниях молекулы притягиваются, но начинают отталкиваться, когда электронные оболочки атомов перекрываются.

Сертификат и скидка на обучение каждому участнику

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику