СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МЕЖАТОМНЫХ И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И КООРДИНАЦИОННОГО ЧИСЛА АТОМНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2006 года по МПК G01N27/00 G09B23/20 

Настоящее изобретение относится к области исследования физико-химических свойств веществ в конденсированном состоянии и атомно-молекулярных систем, а именно к области исследования структуры и межатомных и межмолекулярных взаимодействий ван-дер-ваальсовых систем, в том числе нано- и мезоструктур.

Известны методы измерения межатомных и межмолекулярных взаимодействий, основанные на установлении поведения физико-химических свойств вещества в зависимости от его плотности в виде вириального разложения (1). Бэкингем Э. В кн. «Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров» - М.: Мир, 1981, С.85; 2). Мейсон Э., Сперлинг Т. Вириальное уравнение состояния. - М.: Мир, 1972. - 280 с.). Данный подход основан на наблюдении отклонения некоторого равновесного свойства реального вещества от соответствующего свойства идеального газа в предположении, что оно пропорционально разности между средним вкладом в это свойство пары реальных молекул и пары невзаимодействующих молекул. В общем случае макроскопическое равновесное свойство Q в виде разложения в ряд по степеням плотности ρ газа имеет вид [1]

где - величина свойства Q, соответствующая идеальному газу (что соответствует условию малости межмолекулярного взаимодействия), - второй вириальный коэффициент свойства Q, которым описывается отклонение от свойств идеального газа в первом приближении. Для одного моля газа А_Q=N_aq₁, где N_A - число Авогадро, q₁ - средний вклад молекулы в макроскопическое свойство. Для второго вириального коэффициента статистическая механика дает следующий результат:

где q₁₂ - вклад пары молекул 1 и 2, имеющих энергию взаимодействия u₁₂; q₁₂ и u₁₂ являются функциями относительного положения молекул 1 и 2; интегрирование ведется по всем положениям и ориентациям молекулы 2 относительно молекулы 1; - объем, занимаемый одним молем газа.

Подход, основанный на разложении типа (1), широко применяется в термодинамике для описания различных свойств вещества. Общим недостатком метода вириального разложения является его нечувствительность к структурным особенностям вещества.

Известны также методы измерения энергии межчастичных взаимодействий, основанные на определении теплоты испарения (Рид Р. и др. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982, С.183-196), калориметрические методы, основанные на измерении термодинамических параметров (Рудаков Е.С.Термодинамика межмолекулярного взаимодействия. - Новосибирск, Наука, 1968, С.8-12), другие методы, основанные на измерении макроскопических свойств веществ (Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. - М.: Наука, 1982. С.245-258).

Наиболее близким к предлагаемому методу измерения энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий является метод, основанный на вириальном разложении диэлектрической функции Клаузиуса-Моссотти (Э.Бэкингем. В кн.: «Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров». - М.: Мир, 1981, С.86):

где V_m - молекулярный объем, М - относительная молекулярная масса, А_ε, В_ε, С_ε - первый, второй и третий диэлектрические вириальные коэффициенты.

Здесь первый вириальный коэффициент А_К.-М. представляет собой уравнение Клаузиуса-Моссотти, соответствующее идеальному газу. Второй диэлектрический вириальный коэффициент В_К.-М. учитывает отклонение от уравнения Клаузиуса-Моссотти, обусловленное парным взаимодействием молекул. Третий коэффициент С_К.-М. дает поправку на взаимодействие между тремя молекулами.

Выбор функции Клаузиуса-Моссотти в качестве исходной функции разложения основан на предположении о независимости (или весьма слабой зависимости) поляризуемости атомов или молекул от плотности вещества. Такой вывод в свое время был сделан на основании экспериментального факта, свидетельствующего о независимости поляризации (или рефракции) многих веществ в широком диапазоне плотности ρ; здесь М - относительная молекулярная масса.

Недостатком данного метода измерения межчастичных взаимодействий является относительно низкая чувствительность его к межатомным (межмолекулярным) взаимодействием. Объясняется это тем, что основной вклад в энергию межчастичных взаимодействий скрыт в величине и энергетическое поведение вещества в этом случае представлено в виде изменений энергии взаимодействия атомов и молекул относительно данного уровня [1].

Задачей настоящего изобретения является устранение данного недостатка за счет выбора в качестве диэлектрической функции разложения собственно диэлектрической восприимчивости χ. Выбор диэлектрической восприимчивости однозначно отвечает общему уравнению (1) как по форме, так и по сути. Действительно, диэлектрическая восприимчивость χ по определению является той исходной величиной, которая принимается для количественного представления и описания диэлектрических свойств вещества. Согласно (1), первым членом разложения должна быть функция, которая отвечала бы уравнению идеального состояния вещества, т.е. вещества, у которого межмолекулярными взаимодействиями можно пренебречь. Этому состоянию вещества соответствует условие аддитивности поляризуемости, т.е. χ=αN, или диэлектрической поляризации Это единственно теоретически обоснованное соотношение, удовлетворяющее требованиям, которые предъявляются к уравнению идеального состояния газа. Отклонения от этого уравнения причинно обусловлены действием сил межатомного (межмолекулярного) взаимодействия, количественной мерой которых служат соответствующие вириальные коэффициенты, так что

где А_χ, В_χ и С_χ - первый, второй и третий диэлектрические вириальные коэффициенты; - (в линейном по ρ приближении), (в квадратичном по ρ приближении).

Смысл коэффициентов А_χ, В_χ, С_χ и т.д. полностью отвечает идее вириального разложения как метода исследования межмолекулярных взаимодействий. Первый член этого разложения представляет собой уравнение идеального состояния вещества, т.е.

где α_Г - поляризуемость невзаимодействующих микрочастиц, N_А - число Авогадро, М - относительная молекулярная масса.

Входящие в это уравнение величины N_A и М не зависят от плотности ρ. Единственной величиной, которая может стать причиной неаддитивности уравнения (4), остается поляризуемость α. Т.е. поляризуемость можно считать константой только при условии достаточно малых межмолекулярных взаимодействий. Этим условиям удовлетворяют большинство веществ в газообразном состоянии при давлениях, не превышающих атмосферное давление.

Второй диэлектрический вириальный коэффициент В, как уже было сказано, описывает отклонения от аддитивности уравнения (4) в линейном по плотности приближении. Анализ экспериментальных данных показывает, что в широком диапазоне плотностей от нуля и до плотностей, соответствующих конденсированному состоянию, диэлектрическая восприимчивость большинства недипольных веществ оказывается линейной по плотности. Отсюда следует, что зависимость диэлектрических величин (χ или ε-1) от плотности в первом приближении обязана второму вириальному диэлектрическому коэффициенту. Статус величины В_χ как константы может свидетельствовать относительно слабая зависимость характера межмолекулярных взаимодействий у большинства молекулярных веществ. У них второй диэлектрический коэффициент приблизительно одинаков и равен

Разложение (3) в линейном по плотности приближении эквивалентно уравнению

или

где α_Г - поляризуемость микрочастиц при молекулярной плотности N_Г, соответствующей идеальному достоянию вещества, Δα - отклонение поляризуемости α от поляризуемости α_Г микрочастиц, соответствующих идеальному состоянию вещества, т.е. Δα=α-α_Г, где α - поляризуемость микрочастиц при заданной молекулярной плотности N.

Настоящее уравнение имеет простой физический смысл, заключающийся в том, что измеряемая величина (ε-1) (или χ) однозначно определяется числом микрочастиц и их электронной структурой, представляемой в рассматриваемом нами случае поляризуемостью α. По мере уплотнения газа интенсивность межатомных (межмолекулярных) взаимодействий возрастает, что приводит к возмущению электронной оболочки атомов, благодаря явлению взаимной поляризации. Данное явление обнаруживается по отклонению величины (ε-1) (или χ) от своего идеального состояния по (6). Мерой неидеальности вещества может служить диэлектрический коэффициент сжимаемости Z_ε, определяемый как где ε и χ - текущие значения диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости (при заданной плотности N), ε_Г и χ_Г - диэлектрические проницаемость и восприимчивость, соответствующие идеальному состоянию вещества.

Идеальное состояние вещества должно предполагать то, что составляющие его микрочастицы в том или ином приближении сохраняют свою электронную структуру. В диэлектрическом и/или оптическом эксперименте критерием сохранения электронной структуры является его поляризуемость α_Г. И наоборот, отклонение от аддитивности между измеряемой величиной (ε-1) (или χ) и числом частиц N в системе может служить показателем изменения поляризуемости α и, следовательно, критерием возмущения идеального состояния вещества.

У атомных систем характер межатомных взаимодействий наиболее простой. Он представлен единственным дисперсионным механизмом притяжения между атомами. К этому же классу могут быть отнесены вещества, образованные недипольными молекулами. В общем случае можно представить молекулу в виде совокупности жестко связанных между собой атомов с эффективным и характерным для нее размером а. Каждая молекула выступает как источник флуктуирующего электрического поля Е_а, которым оно оказывает поляризующее действие на свое ближайшее окружение. В результате каждая молекула испытывает со стороны своих соседей всестороннее растяжение, и размеры молекулы во всех направлениях увеличиваются на Δα. Тем самым молекулярные поля E_а совершают работу поляризации, равную ε_м=р_iЕ_а. Ее смысл заключается в совершении работы по деформации (Δа) электронной оболочки, имеющей эффективный заряд q_e. В результате в направлении, перпендикулярном поверхности молекул, возникает индуцированный дипольный момент p_i=2q_cΔa.

С другой стороны, стабильность и устойчивость атомов, входящих в состав молекулы, обеспечивают силы кулоновского притяжения, которым соответствует энергия ε_a=q_яq_e/a_e, где q_я - эффективный заряд ядра атома, входящего в состав молекулы. Эти силы противодействуют силам деформации со стороны поля E_а.

Определим относительное возмущение электронной оболочки поляризующим полем Е_а как отношение энергии возмущения к энергии связи атома (молекулы) так что

где p_i - индуцированный дипольный момент, равный p_i=2Δa_eq_c, q_я и q_e - эффективные заряды ядра и внешних электронов, которые при а=а_e равны q_я=q_e=е, α=а³ _e, - относительные изменения поляризационного радиуса в результате взаимной поляризации атомов (молекул) [1]. При выводе уравнения (7) эффективное поле Е_a выражено через причинно обусловленную этим полем величину p_i, так что Е_a=р_i/α. Здесь поле Е_a представляет собой эффективное поле всех атомов (молекул) относительно плоскости симметрии, проходящей через центр выделенного атома. Поэтому энергия ε_м равна половине от полной энергии ε_n взаимодействия выделенного атома со своим ближайшим окружением (ε_n=2ε_м). Энергия ε_м равна работе выхода молекулы из «решетки» в межмолекулярную полость.

Примем соотношение α=α³ _e для установления связи относительных изменений размеров атома (молекулы) с поляризуемостью, так что [1, с.259]

Подстановка (8) в (7) дает выражение для энергии связи

Из этого уравнения следует, что в качестве меры межатомного (межмолекулярного) взаимодействия выступает величина относительных изменений поляризуемости атомов (молекул) как результат их взаимной поляризации, усиливающейся по мере уплотнения вещества. Достоверность уравнения (9) подтверждается результатами апробации вириальной теории деформационной поляризации [1].

Энергию ε_n можно выразить непосредственно через измеряемые величины. Учитывая уравнение (6), получаем

Это соотношение показывает, что энергия межатомного (межмолекулярного) взаимодействия сводится к измерению относительной разности диэлектрической восприимчивости (проницаемости) вещества по отношению к его гипотетическому состоянию, которому соответствует предположение об отсутствии межчастичных взаимодействий.

Энергия межатомного (межмолекулярного) взаимодействия ε_м в (9) представляет собой энергию взаимодействия выделенного атома (молекулы) со своим ближайшим окружением. При этом основной вклад в энергию взаимодействия ε_n (порядка 90%) дают парные взаимодействия первой координационной сферы. На долю второй координационной сферы обычно отводится оставшиеся 10% от энергии взаимодействия ε_n. Суммирование энергий ε_n по всем микрочастицам дает полную энергию межатомных (межмолекулярных) взаимодействий

где u - энергия взаимодействия 1 моля вещества, N_A - число Авогадро, ε_a - энергия связи атома (молекулы), выраженная в эВ; коэффициент учитывает парный характер взаимодействия (в элементарном взаимодействии участвует пара микрочастиц).

Предлагаемый метод может быть распространен на бинарные и многокомпонентные системы.

Т.о., в предлагаемом способе по сравнению с наиболее близким аналогом реализуется внутренне присущая связь диэлектрической восприимчивости вещества (и соответственно поляризуемости составляющих его атомов или молекул) с энергией межатомных или межмолекулярных взаимодействий, и как следствие этого реализуются высокие метрологические характеристики применяемой для измерения диэлектрической восприимчивости аппаратуры.

Погрешность измерения энергии взаимодействия определяется погрешностью измерения входящих в (11) величин, которые в конечном итоге сводятся к погрешности измерения диэлектрической восприимчивости χ или диэлектрической проницаемости ε. Высокая точность измерения χ (или ε) [4] обеспечивает высокую точность измерения энергии взаимодействия, недоступную другим методам. Характерно, что в формуле для расчета энергии взаимодействия отсутствует трудно определяемая величина - расстояние между микрочастицами.

У предлагаемого метода измерения ε_м отсутствует систематическая погрешность, обусловливаемая «краевым эффектом», т.е. эффектом, который в силу реконструкции реальной поверхности жидкости или твердого вещества нарушает обычно принимаемое при расчетах равенство между энергией испарения микрочастиц и половиной от полной (определяемой) энергии взаимодействия. У предлагаемого метода «краевой» эффект отсутствует, благодаря однозначному соответствию между измеряемыми величинами (χ или ε) и микроскопическими величинами (р_i, α, ε_a), а также благодаря тому, что микрочастицы находятся в своем естественно (не возмущенном) состоянии. Предлагаемый метод позволяет сразу получать усредненные величины u, поскольку входящие в расчетные соотношения величины и ε_a являются среднестатистическими величинами.

Формула (11) была принята для расчета энергии межатомного (межмолекулярного) взаимодействия, выраженную в единицах (см. таблицу). В таблице приведены рассчитанные энергии u для атомов благородных газов и некоторых простых молекул. Здесь же приведены для сравнения наиболее достоверные литературные данные по энергиям межчастичного взаимодействия. Согласие между ними носит качественный характер и скорее отражает тот факт, что в настоящее время отсутствуют заведомо безапелляционные методы измерения энергии межатомных (межмолекулярных) взаимодействий. Различие между рассчитываемыми по (11) и литературными данными минимально у атомов благородных газов и увеличивается по мере усложнения структурны молекул и увеличения у них числа атомов.

Важным обстоятельством при сравнении полученных данных u с литературными данными является необходимость в учете структурной анизотропии молекул. Предлагаемый метод дает усредненные значения энергий межатомных (межмолекулярных) взаимодействий. Методы, основанные на измерении энергии испарения с поверхности вещества, дают составляющую часть энергии в направлении, выделенным осевой симметрией молекулы. Эффект становится заметным уже у гомоядерных молекул и многократно увеличивается у цепочных молекул (на примере алканов С_nН_2n+2). Энергия u по (11) измеряется от 3,3 ккал/моль у метана СН₄ до 5,2 ккал/моль у додекана С₁₀H₂₂. Тогда как метод, основанный на измерении теплоты испарения, дает энергию, изменяющуюся у этих же веществ от 3,9 ккал/моль до 25 ккал/моль. Конечно же, эти данные требуют дополнительных пояснений. Их нельзя отождествлять с собственно энергией межмолекулярных взаимодействий. Необходимо иметь дополнительные данные измерений энергий взаимодействия по другим координатным осям, в совокупности обеспечивающие возможность получения среднего значения энергии взаимодействия.

Примером молекул с жесткими связями могут служить гомоядерные молекулы Н₂ и N₂. Различие рассчитанных и литературных данных u у них связано, по-видимому, с тем, что определяемая по данным измерения теплот испарения энергия u скорее представляет собой работу выхода молекулы с поверхности вдоль цилиндрической оси молекулы. У молекул хлора Cl₂, кроме этого, начинает проявляться нежесткость ковалентной связи (при относительно высокой поляризуемости). Особенно сильно структурная анизотропия проявляется в энергии u высших алканов (С₅Н₁₂÷С₁₀Н₂₂); у алканов также проявляется дополнительная неопределенность данных u из-за наличия заторможенного вращения отдельных фрагментов молекул относительно С-С связей.

Энергия межатомных (межмолекулярных) взаимодействий самым непосредственным образом связана с надатомной (надмолекулярной) структурой, описание которой достигается, в первую очередь, с помощью параметров кристаллической решетки и координационных чисел. Координационное число определяется, как число атомов (молекул) ближайшего к выделенному атому (молекуле) окружения.

Известны различные методы измерения координационных чисел, таких как термохимические методы и методы, основанные на измерении вязкости, диффузии, сжимаемости и др. Наиболее широко распространены дифракционные методы (Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978, глава II). Они основаны на рассеянии излучения или потока частиц. Условием наблюдения дифракции является соизмеримость длины волны излучения с характерными размерами атомов (молекул). В структурных исследованиях измеряют интенсивность рассеяния в зависимости от угла рассеяния. Среди дифракционных методов различают рентгенографические, электроно-графические и нейтронографические методы. Количественно рассеивающую способность атомов (молекул) выражают через посредство амплитуды рассеяния ƒ(θ), где θ - угол рассеяния. Величина |ƒ(θ)|² пропорциональна интенсивности излучения I(θ), рассеянного атомами под углом θ. Чувствительность дифракционных методов также зависит от взаимного расположения атомов. Структурная амплитуда F связана с параметрами ячейки вещества с помощью соотношения F=Σƒ_n(θ)exp(iHr_к), где ƒ_к - амплитуда рассеяния к-го атома, Н - вектор обратной решетки, r - радиус-вектор. По данным измерения n²F² (где n - число элементарных ячеек, участвующих в рассеянии) и определяются структурные параметры ƒ_к и r_к.

К недостаткам метода относятся весьма сложная процедура измерения и последующая идентификация пространственного положения микрочастиц. Предлагаемый способ измерения направлен на устранение данного недостатка.

Сущность изобретения (в части определения координационного числа).

Предлагаемый метод определения координационных чисел η основан на непосредственной связи энергии межатомных (межмолекулярных) взаимодействий ε_м с числом микрочастиц η, окружающих выделенный атом (молекулу). Энергию взаимодействия ε_м можно найти в соответствии с (9). С другой стороны, эту энергию можно выразить также через сумму парных взаимодействий согласно [1,2]

или

где ε_а - энергия связи атома (молекулы), соответствующая потенциалу ионизации;

R - расстояние между микрочастицами, , N - плотность микрочастиц.

Решая совместно уравнения (9) и (12), получаем

где χ=αN, Δα=α-α_Г, χ - диэлектрическая восприимчивость исследуемого вещества.

Рассчитанные по данному уравнению координационные числа приведены в таблице 1. Они согласуются с имеющимися литературными данными и отражают правомерность предлагаемого настоящим изобретением подхода.

По сравнению с наиболее близким аналогом предлагаемый способ измерения координационного числа позволяет упростить процедуру измерений и повысить точность измерений за счет сведения их к измерению величин диэлектрической восприимчивости и поляризуемости. К существенным признакам изобретения следует отнести:

1) функциональную связь между радиусом атома (молекулы) с его поляризуемостью с учетом взаимной поляризации атомов (молекул) в результате уплотнения вещества;

2) связь изменений поляризуемости атомов (молекул), обусловленных переходом из газовой фазы (соответствующей идеальному состоянию вещества) в конденсированное состояние исследуемого вещества, с энергией межатомных (межмолекулярных) взаимодействий и координационным числом;

3) причинная обусловленность энергии межатомного (межмолекулярного) взаимодействия энергией связи ε_а атомов (молекул) как результат перераспределения плотности зарядов исходных атомов (молекул) в процессе межчастичного взаимодействия; часть электрического заряда исходных атомов (молекул) переносится в межатомное (межмолекулярное) пространство и обобществляется, что приводит к возникновению «межчастичной» поляризуемости Δα=(α-α_Г) как меры межчастичного взаимодействия;

4) взаимосвязь и взаимообусловленность энергии межатомных (межмолекулярных) взаимодействий ε_м с координационным числом η, отражающих кооперативный характер межатомных (межмолекулярных) взаимодействий и количественно представляющих энергию межчастичных взаимодействий как сумму парных взаимодействий в пределах выделенной элементарной ячейки;

5) существенным представляется то, что в формуле для расчета энергии взаимодействия отсутствует трудно определяемая молекулярная величина - расстояние между атомами (молекулами).

Т.о., предложен способ измерения энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий и координационного числа атомных и молекулярных веществ, основанный на их связи с поляризуемостью атомов или молекул данного вещества и зависимости поляризуемости атомов или молекул данного вещества от его плотности при переходе из газообразного состояния в конденсированное и заключающийся в том, что измеряют диэлектрическую восприимчивость χ_Г исследуемого вещества, соответствующую идеальному состоянию данного вещества N_Г, и диэлектрическую восприимчивость χ исследуемого вещества при заданной плотности N и рассчитывают соответствующие им поляризуемости α_Г и α атомов или молекул, по формулам и рассчитывают величину энергии связи по формуле где е - элементарный заряд, а_е - радиус атома или молекулы, который находят в соответствии с соотношением а затем рассчитывают энергию межатомного или межмолекулярного взаимодействия по формуле

или по формуле

где N_А - число Авогадро, и координационное число по формуле

Решаемые задачи. 1. Прямой метод измерения энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий как параметра, обеспечивающего описание устойчивости и стабильности вещества. Энергия межатомных и межмолекулярных взаимодействий предопределяет электронное строение и соответственно физические и химические свойства веществ; данное обстоятельство предполагает возможность расчета функциональных и эксплуатационных свойств большого класса молекулярных веществ. Метод определения параметров сольватации.

2. Метод измерения так называемой потенциальной функции, которая представляет собой зависимость энергии взаимодействия от расстояния между микрочастицами (или от плотности вещества). Знание вида потенциальной функции лежит в основе построения различных теорий электронного строения вещества.

3. Определение энергии парного взаимодействия между микрочастицами на основании данных измерения энергии межатомного или межмолекулярного взаимодействия и координационного числа (как результат их отношения). Эти данные необходимы для исследований в области синтеза искусственных веществ, а также для целей конструирования наноматериалов и наноустройств.

4. Физический смысл и механизм формирования межатомных и межмолекулярных взаимодействий атомно-молекулярных систем, заключающиеся в частичном переносе электронного заряда за счет взаимной поляризации атомов и молекул в процессе уплотнения вещества и соответствующего увеличения электронной плотности в пространстве между атомами и молекулами. Данное обстоятельство важно учитывать при проектировании искусственных веществ и наносистем, поскольку начальные размеры атомов и молекул (до сборки) при их соединении (объединении) увеличиваются до 30-40%.

Примером может служить рассмотрение одного из наиболее распространенных в атомной и молекулярной физике потенциала Ленарда-Джонса [3, с.121]

где ε и σ - эмпирические константы.

Для того, чтобы можно было сравнивать энергию взаимодействия с параметрами потенциала Ленарда-Джонса, приведем уравнение (9) к виду

где - постоянный для данного веществ коэффициент, Δα=α -α_Г.

Величина (Δα)² однозначно характеризует энергию взаимодействия ε_n. Чем больше отличие α от начальной величины α_Г, тем больше энергия ε_n. Согласно рассмотренному выше механизму формирования Δα эта величина может иметь только положительный знак, и увеличению плотности N вещества всегда соответствует увеличение величины Δα и соответственно поляризуемости атомов (молекул), т.е. Δα˜N.

В свою очередь, атомная (молекулярная) плотность равна , где V_a - атомный (молекулярный) объем, равный V_a=а³ _a, где a_a - среднее расстояние между микрочастицами. Отсюда следует что ε_n˜ε_a/а⁶ _a, т.е. энергия взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени от среднего расстояния a_a. Эта величина a_a соответствует величине R в формуле (14). Т.е. характер притяжения микрочастиц в обоих случаях одинаков и определяется законом а⁶ _a.

Если следовать правилу размерности, то величина ε в (14) должна соответствовать энергии атома (молекулы) ε_а, и тем самым эмпирический параметр ε приобретает свой естественный смысл энергии свободных микрочастиц. Смысл подгоночного параметра σ в теории Ленарда-Джонса раскрывается в сравнении его с коэффициентом к в формуле (15), и что особенно важно - проясняется механизм взаимодействия. Понятие дисперсионного взаимодействия наполняется физическим содержанием и «материализуется» в виде эффекта взаимной поляризации атомов (молекул) и соответствующего перераспределения электронной плотности заряда в межчастичном пространстве. Описание межатомного (межмолекулярного) взаимодействия с помощью уравнения (9) имеет абсолютный характер и не требует привлечения подгоночных (эмпирических) параметров.

Осуществление изобретения. Для осуществления изобретения необходима аппаратура для измерения диэлектрических величин (χ или ε) вещества в газовой фазе и в конденсированном состоянии вещества. При этом исходными для последующих расчетов являются диэлектрические восприимчивости χ_Г и χ (или соответствующие диэлектрические проницаемости и ε_Г и ε). Эти данные принимаются для расчета поляризуемостей α_Г и α, которые, в свою очередь, принимаются для определения энергии связи (где е - элементарный заряд, а³ _е=α), а затем и для расчета искомых величин ε_м и η.

Для измерения диэлектрических величин (е или χ) веществ в различных агрегатных состояниях может быть использована «стандартная» аппаратура [1,4]. Т.е. для реализации предлагаемого изобретения не требуются какие-либо специализированные средства измерений.

Таблица 1 Веществоα·10²⁴, см³ε_a, эВu, расчет по [11]u, лит. данные [1, 5, 6]η¹ (η_Т), расчет по (13)1.Ne0,39619,60,10,90,5; 0,9-2.Ar1,64012,20,192,21,9; 2,99,4(9,0)3.Kr2,48410,60,253,42,7; 4,29,05 (9,5)4.Xe4,008,80,47,23,8; 6,213 (12,2)5.Н₂0,80315,40,060,290,38-6.N₂1,7415,60,151,82,711,37.O₂1,5712,20,151,33,09,08.F₂1,2415,80,141,53,010,19.Cl₂4,411,50,4914,39,3-10.CCl₄11,1110,398,614,09,411.CH₄2,59130,223,33,911,412.C₅H₁₂9,9910,50,284,31310,313.C₁₀H₂₂19,210,20,325,2259,7¹В скобках приведены координационных чисел η_Т в твердом состоянии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Потапов А.А. Деформационная поляризация: поиск оптимальных моделей. - Новосибирск: Наука, 2004. - 511 с.

2. Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. - М.: Наука, 1988. - 344 с.

3. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978. - 792 с.

4. Потапов А.А. Молекулярная диэлькометрия. - Новосибирск, Наука, 1994. - 285 с.

5. Свойства неорганических соединений. Справочник. - Л.: Химия, 1983. - 392 с.

6. Химическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.

Использование: при построении теории электронного строения вещества, а также при создании искусственных веществ и проектировании наноматериалов и наноустройств. Сущность: измеряют диэлектрическую восприимчивость исследуемого вещества, соответствующую идеальному состоянию и заданной плотности. Рассчитывают соответствующие им поляризуемости. С учетом поляризуемости вычисляют радиус атома или молекулы, а энергию взаимодействия и координационное число вычисляют в соответствии с предлагаемыми расчетными формулами. Технический результат изобретения заключается в установлении зависимости между энергией взаимодействия и координационным числом от поляризуемости и диэлектрической восприимчивости. 1 табл.

Способ измерения энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий и координационного числа атомных и молекулярных веществ, основанный на их связи с поляризуемостью атомов или молекул данного вещества и зависимости поляризуемости атомов или молекул данного вещества от его плотности при переходе из газообразного состояния в конденсированное и заключающийся в том, что измеряют диэлектрическую восприимчивость χ_Г исследуемого вещества, соответствующую идеальному состоянию данного вещества N_Г, и диэлектрическую восприимчивость χ исследуемого вещества при заданной плотности N и рассчитывают соответствующие им поляризуемости α_Г и α атомов или молекул по формулам

и

рассчитывают величину энергии связи по формуле

где e - элементарный заряд,

α_е - радиус атома или молекулы, который находят в соответствии с соотношением

а затем рассчитывают энергию межатомного или межмолекулярного взаимодействия по формуле

или по формуле

где N_A - число Авогадро,

и координационное число по формуле