Молекулярные силы

Как возникает молекулярное притяжение между электрически нейтральными системами? Сначала постараемся понять, почему клочки бумаги или другие легкие предметы притягиваются к наэлектризованному телу.

Вот положительно заряженный стержень приближается к бумажной полоске. Заряженные частицы атомов бумаги не могут остаться к этому равнодушными. Электроны смещаются навстречу положительному заряду, а ядра отступают немного назад. Происходит то, что физики называют поляризацией. Отрицательный заряд оказывается ближе к наэлектризованному телу, чем положительный, и сила притяжения получает перевес над силой отталкивания.

Если вместо бумажного клочка была бы одна только молекула, с ней произошло бы то же самое. Электрическое поле подобно ветру сдувает легкие электроны немного в сторону от ядер, и молекула превращается в электрический диполь, в котором заряды противоположных знаков пространственно разделены.

У многих веществ, например у воды, молекулы при своем рождении сразу же оказываются подобными электрическому диполю. Такие молекулы своим электрическим полем вызывают поляризацию соседей и появление сил притяжения.

Лишь в том случае, когда электронное облако каждого из атомов имеет полную шаровую симметрию, между ними не возникнут силы притяжения. Однако в действительности только в среднем за большое время можно утверждать, что «центр тяжести» отрицательного заряда находится в ядре изолированного атома. В данный момент электрон (если говорить для простоты об атоме водорода) может быть обнаружен в любой точке на расстоянии около 10-8 см от ядра.

0004.gif

При сближении с другим атомом электрическое поле системы электрон — ядро возмущает движение электрона соседнего атома таким образом, что «центр тяжести» отрицательного заряда атома оказывается смещенным относительно ядра. Каждый атом (или молекула) поляризует своего соседа, и они начинают притягиваться друг к другу.

Это взаимодействие в основе своей является кулоновским. Но так как притяжение между нейтральными системами — следствие некоторого преобладания над существующим одновременно отталкиванием, и так как степень поляризации систем резко ослабевает с увеличением расстояния, то эти силы значительно слабее чисто кулоновских и гораздо быстрее убывают с расстоянием. Если у изолированной молекулы положительный и отрицательный заряды пространственно не разделены, то силы притяжения обратно пропорциональны не квадрату, а седьмой степени расстояния. При увеличении расстояния в два раза сила ослабевает не в 4, а в 128 раз! Поэтому эти силы практически уже не сказываются, если расстояние в 10 раз превышает размеры самих молекул. Силы Ван-дер-Ваальса являются короткодействующими.