Обсуждение предположений кинетической теории

Кинетическая теория газов в своей простейшей форме основана на нескольких существенных предположениях. Теперь, когда мы получили уравнение состояния идеального газа и механическое определение температуры, мы можем прервать наше изложение и обсудить то, что уже нами было получено.

Мы предположили, что газ состоит из огромного числа отдельных частиц, которые можно назвать молекулами и которые чрезвычайно малы по сравнению с размерами «пустоты», в которой они движутся. Мы допустили далее, что эти частицы находятся в очень быстром движении, а энергия и импульс распределены между этими частицами или между ними и стенками сосуда, который удерживает газ посредством чисто упругих сил; это подразумевает, в частности, что частицы не имеют внутреннего строения и при столкновениях не могут перейти в возбужденное состояние. (Сила, действующая при столкновениях, изменяет только импульс частиц, но не их внутреннее строение.)

Эти два предположения составляют атомистическую гипотезу, сходную с соответствующей гипотезой древности. Сравнение объемов, занимаемых молекулами H₂O в воде и в паре, убеждает нас в том, что объем, занимаемый самими молекулами, мал по сравнению с полным объемом газа. Далее, вычисленное значение средней скорости частиц по полученным нами формулам согласуется с экспериментом и свидетельствует о быстром движении частиц.

Однако представление о том, что атомы не имеют внутренней структуры и, стало быть, не могут поглощать энергию при столкновениях¹⁾, является отголоском древнего убеждения, согласно которому атомы считались неделимыми и абсолютно элементарными кирпичиками вещества. Сейчас мы придерживаемся другой точки зрения. Известно, что атом обладает очень сложной структурой и сам состоит из частиц, совершающих сложные движения. Тем не менее второе предположение кинетической теории считается и сейчас правильным (для одноатомных газов), и, более того, предсказания, основанные на этом предположении, действительно подтверждаются на практике. Можно только поражаться, как из предположения, основанного на явно упрощенном представлении о строении атома, получаются физические следствия, согласующиеся с экспериментом.

1) Уверенность в том, что внутреннее строение молекул, образующих газ, не изменяется при обычных столкновениях, является следствием квантовомеханической теории атома. В соответствии с квантовой теорией атомы или молекулы могут находиться лишь в определенных дискретных состояниях. Поясним это на примере шезлонга, имеющего несколько положений спинки, которые фиксируются с помощью трех или четырех пазов. Если мы будем шевелиться, сидя в этом кресле, мы не сможем изменить положение его спинки до тех пор, пока не сделаем резкого движения, достаточного, чтобы фиксатор перескочил в другой паз. Совершенно иначе ведет себя кресло, спинка которого может непрерывно изменять свое положение. Если мы будем двигаться, сидя в таком кресле, его спинка будет занимать бесчисленное множество различных положений, могущих различаться между собой на ничтожный угол. Спинка шезлонга, конечно, слегка перемещается, когда мы шевелимся, сидя в нем, однако ее устойчивое положение соответствует лишь трем или четырем возможным положениям фиксатора в соответствующих пазах.

Тогда можно сказать, что при обычных столкновениях молекул газа, если на минуту вообразить, что эти молекулы сходны с шезлонгами, возникающие силы недостаточны, чтобы фиксатор перескочил в другое положение, и атомы, или шезлонги, остаются в том же состоянии, в каком они были до столкновения. Уверенность, что некое подобие таких пазов и фиксаторов имеется в атомах, основана на огромном количестве экспериментальных фактов и составляет ядро всей квантовой теории.

Согласно нашим современным представлениям, при столкновениях атомов газа их строение не изменяется, несмотря на то, что они обладают сложной внутренней структурой. Следовательно, несмотря на сложность внутреннего строения атомов, образующих газ, тот факт, что их внутренняя структура остается неизменной, позволяет нам при изучении обычных столкновений этих атомов газа полностью игнорировать их внутреннее строение. Эта ситуация иллюстрирует структуру физических теорий. Хотя тела, поведение которых является объектом изучения, могут быть очень сложными, это не исключает возможности заменить (при условии, что сложное строение тел не оказывает влияния на рассматриваемый физический процесс) сложные тела очень простыми, но обладающими как раз такими свойствами, которые не изменяются в процессе взаимодействия и которые нас интересуют в данный момент. Изучение таких упрощенных свойств оказывается достаточным для описания интересующих нас явлений.