§ 13. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМОВ

В § 12 было указано, что образование устойчивой физической системы возможно, если между ее частицами на больших (относительно) расстояниях действуют силы притяжения, а на малых — силы отталкивания. Природа (происхождение) этих сил, их зависимость от расстояния, а также потенциальная энергия взаимодействия системы обусловлены составом системы и свойствами частиц. Однако объяснение свойств системы на основании свойств ее составных частей оказывается, как правило, трудной задачей. Основное и принципиальное затруднение заключается в том, что истинная природа сил, действующих между объектами атомного масштаба, нам неизвестна и мы вынуждены

предполагать, что между ними действуют знакомые и хорошо изученные нами силы: гравитационные, электрические и магнитные. Лишь после того, как попытки объяснить свойства систем действием «классических» сил оказываются безуспешными, появляется необходимость в предположениях о существовании новых видов взаимодействия между частицами и соответствующих им сил. Так были введены в физику представления о «силах молекулярного взаимодействия», при помощи которых объясняется различие в уравнениях состояния идеальных и реальных газов; так появились «ядерные силы», действующие между протонами и нейтронами на близких расстояниях, и т. д. Однако следует отметить, что главные особенности сил, действующих в атомах и молекулах, могут быть объяснены, если полагать, что их природа — электрическая; существенно новое, внесенное квантовой теорией, — это необходимость учета волновых свойств частиц. Поэтому многие вопросы теории атомов и молекул требуют использования уравнения Шредингера и, хотя решение этого уравнения оказывается очень громоздким, во многих случаях удается получить приближенные количественные и ценные качественные результаты.

Как и в других областях физики, в теории атомов и молекул широко используются различные идеализированные модели. Следует отметить еще один прием, облегчающий исследование: так как между силами взаимодействия и потенциальной энергией существует непосредственная и простая связь (см., например, ч. I, § 12), то вместо недоступных измерению и контролю сил взаимодействия определяют потенциальную энергию которую или легко вычислить, или найти экспериментально; если, например, выяснен вид функции то

КУЛОНОВСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ

Рассмотрим несколько примеров электрического взаимодействия двух частиц — атомов или молекул. Сначала предположим, что расположение электрических зарядов (в каждой из этих частиц) отличается от сферически симметричного, поэтому каждая из них имеет некоторый электрический момент (рис. IV.71, а).

Рис. IV.71

Допустим, что эти моменты одинаковы и равны При температуре абсолютного нуля эти частицы будут располагаться так, как это показано на рис. IV.71, а. Тогда их потенциальная энергия будет обратно пропорциональна кубу

расстояния между ними (см. ч. III, § 4). Однако тепловое движение будет нарушать такое упорядоченное расположение взаимодействующих диполей, и если рассчитать среднее значение энергии взаимодействия при высоких температурах, то оказывается, что

следовательно, сила электрического притяжения между частицами будет обратно пропорциональна седьмой степени расстояния. Разумеется, для удержания этих частиц на расстоянии необходимы силы отталкивания, но их происхождение должно быть выяснено отдельно.

Допустим теперь, что частицы в свободном состоянии не имеют электрического момента, но при сближении на малые расстояния они, действуя друг на друга своими электрическими полями, вызывают перераспределение зарядов и тем самым возбуждают («индуцируют») появление дипольных моментов. При этом, как бы ни перемещались частицы друг относительно друга, направление индуцированного электрического момента всегда будет совпадать с линией, соединяющей частицы. Вследствие этого энергия взаимодействия (при фиксированном ) не зависит от наличия теплового движения. Характеристикой таких поляризующихся частиц является отношение приобретаемого дипольного момента к напряженности внешнего поля Согласно формуле Дебая, в этом случае

Если взаимодействующие частицы представляют собой системы, Подобные атому водорода (один заряд вращается относительно другого), то можно показать, что при согласованном вращении сумма сил притяжения между разноименными зарядами оказывается несколько больше суммы сил отталкивания одноименных зарядов. Действительно, в состоянии, показанном на рис. разность этих сил равна

В других положениях сила взаимодействия таких «синхронно вращающихся» диполей будет иной, но ее среднее значение (за один оборот) будет отлично от нуля.