Современное естествознание исходит из положения, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом посредством межмолекулярных сил. Это представление составляет фундамент молекулярной физики и термодинамики и лежит в основе объяснения макроскопических свойств тел на микроскопическом уровне.
Атомы — это наименьшие химически неделимые частицы, обладающие определённым набором физических характеристик: массой, размером, электрическим зарядом. Молекулы — устойчивые группы атомов, связанных между собой химическими связями. В простых веществах молекулы могут состоять из одинаковых атомов (например, молекула кислорода O₂), а в сложных веществах — из разных (например, молекула воды H₂O).
Одним из ключевых следствий атомистической теории является дискретность вещества, то есть существование его в виде отдельных частиц. Эта идея подтверждается множеством экспериментальных данных: броуновским движением, диффузией, осмотическими явлениями, испарением и конденсацией, а также современными методами визуализации вещества на атомном уровне (сканирующая туннельная и электронная микроскопия).
Дискретность проявляется, например, в том, что масса тела не может быть произвольной: существует элементарный носитель массы — атом, и всякая масса кратна массе атомов, из которых тело состоит. Аналогично, количество вещества выражается в молях, что означает определённое число (число Авогадро) частиц.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его отрицательных электронов. Размеры атомов порядка 10⁻¹⁰ м, при этом почти вся масса сосредоточена в ядре (размер порядка 10⁻¹⁵ м). Свойства атомов определяются их электронной оболочкой, которая, в свою очередь, определяет химическую активность и способность к образованию связей.
Молекулы образуются в результате взаимодействия атомов, основанного на квантовомеханических принципах: перекрытии электронных орбиталей и образовании устойчивых энергетических состояний. Существует множество типов межатомных связей: ковалентные, ионные, металлические, водородные и ван-дер-ваальсовы. Тип связи влияет на прочность молекулы, её устойчивость к внешним воздействиям и физико-химические свойства.
Молекулы находятся в постоянном движении, который может быть:
Энергия движения молекул прямо связана с температурой тела. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул. С увеличением температуры возрастает интенсивность всех видов движения молекул.
Давление газа объясняется с точки зрения молекулярно-кинетической теории как результат ударов молекул о стенки сосуда. Чем выше средняя кинетическая энергия молекул, тем выше давление при прочих равных условиях.
Межмолекулярное взаимодействие — это силы, действующие между нейтральными молекулами или атомами. Они включают:
График потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия (например, потенциал Леннарда-Джонса) демонстрирует наличие минимальной потенциальной энергии на некотором расстоянии между молекулами, соответствующем равновесному межмолекулярному расстоянию.
Это равновесие является основой существования конденсированных состояний вещества: жидкостей и твёрдых тел. При изменении температуры и давления могут происходить фазовые переходы — превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое.
Газообразное состояние характеризуется большим расстоянием между молекулами, слабым межмолекулярным взаимодействием и хаотическим движением. Давление создаётся ударами молекул о стенки.
Жидкое состояние обладает более плотной упаковкой молекул, проявляются силы притяжения и отталкивания. Молекулы ещё могут перемещаться, но в ограниченных пределах.
Твёрдое состояние характеризуется упорядоченным расположением молекул (или атомов) в узлах кристаллической решётки. Их движения ограничены колебаниями около положений равновесия.
Плазма — это ионизированное состояние вещества, где значительное число атомов или молекул ионизированы. Это состояние не подчиняется простым атомно-молекулярным моделям, но всё же возникает из тех же элементарных частиц.
Плавление, испарение, конденсация и кристаллизация являются результатами изменения энергетического состояния системы. Эти переходы можно описать на микроскопическом уровне:
Энергия, необходимая для разрушения межмолекулярных связей, называется теплотой фазового перехода (например, теплота парообразования или плавления).
Современные достижения физики и техники позволяют не только косвенно подтверждать, но и непосредственно наблюдать атомно-молекулярную структуру вещества. Методы, обеспечивающие такую возможность:
Кроме того, квантовая теория, включая квантовую химию и квантовую механику, позволяет рассчитывать энергетические уровни молекул, электронную плотность, форму орбиталей и поведение частиц на атомном уровне.
Атомно-молекулярное представление позволяет:
Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика становятся единым целым благодаря микроскопическому описанию систем. Понимание того, что каждое макроскопическое явление является результатом поведения гигантского числа частиц, составляет краеугольный камень всей физики вещества.