§ 3. Место статистической физики в раскрытии материалистической картины мира

Отличие статистической физики от термодинамики заключается в том, что термодинамика только описывает физические явления, не вскрывая и не объясняя причин, вызывающих эти явления. Но описание — это только первый шаг в научном исследовании явлений. За ним обязательно должно следовать причинное объяснение физических явлений. Такое объяснение и дает нам статистическая физика.

Полученные с помощью статистической физики представления о строении и свойствах вещества составляют основу материалистической картины мира.

Развивая определенные представления о строении вещества, статистическая физика последовательно приближает нас к правильному пониманию объективных закономерностей окружающего нас мира. На этом пути статистическая физика уже открыла и с несомненностью установила определенные свойства целого ряда частиц, составляющих вещество.

Приведем перечень установленных микрообъектов окружающего нас мира.

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. В природе встречается практически бесчисленное множество веществ и, следовательно, различных молекул.

Любую молекулу можно рассматривать как неделимую частицу по отношению к свойствам вещества, неделимую в том смысле, что при ее делении исчезают определенные свойства вещества.

Существует понятие грамм-молекулы вещества или моля и грамм-атома, а также киломоля.

Грамм-молекула (килограмм-молекула) вещества — количество вещества в граммах (килограммах), численно равное молекулярной массе. В одной грамм-молекуле или одном моле (грамм-атоме) любого вещества содержится одно и то же постоянное число молекул (атомов), равное числу Авогадрю:

Один моль любого вещества в газообразном состоянии при нормальных условиях занимает один и тот же объем, так называемый объем грамм-молекулы:

Масса молекулы в килограммах равна произведению на молекулярную массу. Размеры молекул имеют порядок Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

В разных телах движение молекул происходит по-разному, причем кинетическая энергия движения молекул характеризует количество тепловой энергии в данном теле.

Оказывается, что средняя кинетическая энергия движения молекул пропорциональна абсолютной температуре и для одноатомного газа равна:

где абсолютная температура и постоянная Больцмана, равная

Будучи мельчайшей частицей вещества, молекула в то же время является сложной системой, состоящей из нескольких атомов.

Атом — есть мельчайшая частица элемента, размер его порядка Сейчас известно 104 различных атома (исключая изотопы и мезоатомы), соответствующих химическим элементам периодической системы Д. И. Менделеева.

Атом состоит из положительно заряженного атомного ядра и электронной оболочки. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Ядро имеет размеры порядка

Электронная оболочка атома состоит из электронов, число которых равно заряду ядра и определяется порядковым номером элемента в периодической системе.

Атом в целом нейтрален. Если из оболочки атома удалить один или два электрона, то получается одно- или двухвалентный положительный ион. Если в оболочку атома добавить электрон, то мы получим отрицательный ион. Ионами могут быть не только заряженные атомы, но и группы атомов (части молекул).

Электроны — это мельчайшие устойчивые отрицательно заряженные частицы. Их заряд равен и масса равна

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, считающихся в настоящее время, как и электрон, элементарными частицами.

При ядерных взаимодействиях было обнаружено большое число других заряженных и нейтральных элементарных частиц, которые разделяются на три группы: лептоны, мезоны и гипероны. Большинство элементарных частиц оказываются неустойчивыми и могут превращаться друг в друга.

Многие элементарные частицы могут рассматриваться как кванты соответствующих полей. Так, например, фотон можно рассматривать как квант электромагнитного поля, -мезоны как кванты поля ядерных сил и т. д.

Равновесное тепловое излучение можно рассматривать либо как набор электромагнитных волн, либо как фотонный газ (систему свободных фотонов).

Все физические тела в основе состоят из перечисленных мельчайших частиц, некоторые из них могут взаимопревращаться в зависимости от конкретных физических условий.

Так, газ при низких температурах и давлениях состоит из свободных атомов или молекул. При очень высоких температурах газ переходит в новое состояние — плазму. Плазма уже состоит из ионов и электронов.

В открытии и изучении перечисленных выше микрообъектов молекулярно-кинетической теории материи принадлежит ведущее место.