Vzájomné pôsobenie častíc. Potenciálna energia častíc

Sily, ktorými na seba častice látky pôsobia, nedokážeme priamo odmerať. Aby sme si vzájomné silové pôsobenie častíc vedeli popísať, situáciu si zjednodušíme: budeme sa sústrediť len na vzájomné pôsobenie (interakciu) medzi dvomi časticami, a navyše tieto častice budeme vnímať tak, akoby mali kladne nabité jadrá obklopené záporne nabitými elektrónmi. Ak takéto dve častice k sebe približujeme, pôsobia medzi sebou navzájom ich záporné elektrónové obaly a súčasne aj ich kladne nabité jadrá. Výsledkom tejto interakcie je vznik príťažlivej a odpudivej elektrickej sily.

Môžeme teda povedať, že na každú časticu látky pôsobí iná častica súčasne silou príťažlivou aj odpudivou. To, ktorý druh sily sa prejaví a aká veľká bude táto sila, závisí od vzájomnej vzdialenosti týchto častíc. Tento poznatok odpovedá našej skúsenosti: pri stláčaní telesa, kedy častice látky k sebe približujeme, cítime odporovú silu brániacu ďalšiemu stláčaniu telesa (prejavuje sa odpudivá sila medzi časticami). A naopak, napr. pri naťahovaní gumeného vlákna od seba odďaľujeme častice gumy, pričom opäť cítime silu brániacu ďalšiemu napínaniu vlákna (prejavili sa príťažlivé sily medzi časticami gumy).

Zmenu veľkosti sily $F$ medzi spomínanými dvomi časticami a jej druh (príťažlivá-odpudivá) v závislosti od vzdialenosti $r$ medzi časticami znázorňuje nasledujúci graf. Podľa dohody sa priebeh veľkosti príťažlivej sily vyznačuje pod vodorovnou osou a priebeh veľkosti odpudivej sily nad ňou.

Z grafu vidíme, že ak je vzájomná vzdialenosť $r$ častíc:

a) rovná hodnote označenej $r_{0}$ , pôsobia na seba častice výslednou silou $F$ s nulovou veľkosťou. Ide o situáciu, kedy sú pôsobiace príťažlivé a odpudivé sily v rovnováhe, žiadna neprevláda. V tejto situácii hovoríme, že častice sú navzájom v tzv. rovnovážnej polohe. Veľkosť vzdialenosti $r_{0}$ je určená druhom častíc, ktoré na seba pôsobia. Iná je pri vzájomnom pôsobení dvoch atómov uhlíka, iná pri atómoch vodíka či pri dvoch molekulách vody.

b) menšia ako hodnota $r_{0}$ , prevláda viac odpudivá sila $F$ . Z priebehu závislosti v grafe vidíme, že čím menšia je vzájomná vzdialenosť častíc (pod hodnotou $r_{0}$ ), tým viac narastá veľkosť odpudivej sily $F$ medzi nimi. Teda tým väčšia odpudivá sila je medzi nimi.

c) väčšia ako hodnota $r_{0}$ , prejavuje sa viac príťažlivá sila $F$ . Jej veľkosť sa so zväčšovaním vzájomnej vzdialenosti častíc (od hodnoty $r_{0}$ ) mení: spočiatku narastá (v zmysle zápornej časti osi $F$ , no hodnoty udávame v kladných číslach) a po dosiahnutí istej hodnoty klesá až takmer na nulu. To znamená, že každá častica je priťahovaná len najbližšími časticami vo svojom okolí. Takéto jej okolie, v ktorom sa prejavujú príťažlivé sily od jej najbližších častíc, znázorňujeme myslenou guľou, ktorú nazývame sféra vzájomného pôsobenia a jej polomer označujeme $r_{m}$ . Ak je vzájomná vzdialenosť častíc $r$ väčšia ako $r_{m}$ , je veľkosť príťažlivej sily $F$ medzi nimi zanedbateľne malá.

Pretože častice látky na seba navzájom pôsobia silami, znamená to, že sústava častíc má vnútornú potenciálnu energiu. Ak sa častice látky nachádzajú navzájom v rovnovážnej polohe, nazýva sa ich potenciálna energia väzbová energia. Väzbová energia sa rovná práci, ktorú musia vykonať vonkajšie sily, aby došlo k porušeniu väzby medzi časticami látky. (vonkajšie sily = nie sily vznikajúce vo vnútri tejto látky)

Sily, ktorými na seba navzájom pôsobia častice, určujú vzájomnú polohu týchto častíc (napr. vzájomnú polohu atómov v molekule) a tým aj štruktúru látky, ktorej sú súčasťou. Keďže s rovnovážnou polohou častíc súvisí ich väzbová energia, môžeme povedať, že v podstate aj väzbová energia má vplyv na štruktúru látky a vzájomnú polohu jej častíc. Dôsledkom toho je, že dvojatómové molekuly sú vždy lineárne (dva body na priamke), trojatómové molekuly môžu existovať buď ako lineárne (tri body na priamke), no častejšie ako lineárne trojuholníkové (tri body v rovine). Viacatómové molekuly majú zväčša priestorovú štruktúru, no vyskytujú sa aj v lineárnej štruktúre. Poznatky o štruktúre látok sú dôležité v rôznych vedách, pretože štruktúra látky má vplyv na jej fyzikálne a chemické vlastnosti.