Столкновений теория

Глава 5. Химические реакции

Столкновений теория

Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 5. Химические реакции

Глава 5.1.Краткий исторический обзор

Химическая реакция — это процесс, превращения одних веществ в другие.

Что заставляет частицы различных веществ реагировать друг с другом, разрушая  химические связи? На первый взгляд, ответ на этот важный вопрос логично искать, отталкиваясь от достижений науки о движении молекул — молекулярно-кинетической теории (МКТ), начала которой изучают в школьном курсе физики.

Так химики и делали на протяжении многих лет. В 1868 г.

Лотар Мейер заявил: «Химические явления должны рассматриваться, как если бы они были проблемами механики». Это заявление служит эпиграфом к главе «Скорость и механизмы химических реакций» в книге Ричарда Е. Дикерсона, Гарри Б. Грея и Гилберта P. Хейта, мл. «Основные законы химии» (М., Мир, 1982).

§ 5.1.1 Теория активных столкновений

Одной из первых теорий, объясняющей механизм химических реакций была теория активных столкновений. Эта теория считала, что химическая реакция является результатом столкновения взаимодействующих частиц.

Шведский физико-химик Сванте Аррениус  предположил, что взаимодействуют лишь частицы, обладающие избыточной энергией.

Аррениус вывел закономерность, по которой скорость химической реакции зависит от температуры в виде следующего уравнения:

 W = A.exp[-E/(RT)],                                                                                  (5.1.2)

где А — множитель, отражающий количество соударений реагентов (активных столкновений), которое приводит к химической реакции между ними.

В реакцию вступают не все частицы системы, а лишь те, которые обладают некоторой избыточной энергией, по сравнению со средней энергией остальных частиц. В противном случае все реакции протекали бы со взрывом. Аррениус назвал эту избыточную энергию — энергией активации.

Максвелл (в 1859 году) и Больцман (в 1869-71) открыли одну из важнейших закономерностей молекулярной физики и физики вообще, связав энергию молекулы с температурой:

NE = N0.exp[-E/(RT)],                                                                              (5.1.1)

где  NE — доля молекул с энергией E, N0  — общее количество молекул в изучаемой системе, T — температура, R — универсальная газовая постоянная.         
Закон Максвелла-Больцмана показывает распределение молекул по энергиям их движения в идеальном газе. Он был выведен теоретически и подтвержден большим количеством экспериментов.

Таким образом, экспериментально найденная зависимость скорости реакции от температуры была подтверждена законом распределения молекул по энергиям. Это удивительное совпадение и логическое объяснение одного итого же явления двумя независимыми науками выдвинуло теорию активных столкновений в ранг классических научных теорий. 

Основа теории активных столкновений:Для того чтобы произошла химическая реакция, молекулы реагентов должны:

1) столкнуться;2) обладать достаточной энергией — энергией активации;

3) иметь благоприятную ориентацию для скорейшего взаимодействия друг с другом.

Энергии активации по ТАС  должна по своему значению быть близкой к энергии связи в молекуле, которая разрушается в ходе химической реакции. Так и получилось в первых кинетических экспериментах, образцом здесь стала реакция взаимодействия газообразных йода и водорода.

Однако во многих других газофазных реакциях этого не наблюдалось. Стали учитывать не только поступательную, но и вращательную, а также колебательную составляющую энергии молекулы. Но в большинстве случаев и здесь результаты расчета и эксперимента серьезно расходились.

Так, например, для реакции взаимодействия атома водорода с молекулой водорода:

H• + H-H⇄ H-H + H•

экспериментально определенная энергия активации составила менее 40 кДж/моль, тогда как энергия связи в молекуле водорода на порядок больше — 400 кДж/моль. А расчетная величина скорости отличается от экспериментальной более чем на 20 (!) порядков.

Таким образом, теория активных столкновений установила связь между скоростью химической реакции, размером молекул, энергией их поступательного движения, частотой столкновений, но не объясняет, почему энергия молекулы, необходимая для вступления в реакцию (энергия активации), обычно намного меньше энергии химической связи, которую нужно разорвать, для того чтобы реакция произошла.

 Теория активных столкновений 
 Теория переходного состояния  >>
 Проблемы химической кинетики >>
Как протекают химические реакции >>
 Реакции с участием радикалов >>
 Реакции с участием ионов >>
Энергетический анализ взаимодействия активной частицы с молекулой >>
 Реакции с участием растворителей >>
 О взаимодействии насыщенных молекул >>
 Основные положения теории элементарных взаимодействий >>
Экспериментальное подтверждение теории элементарных взаимодействий >>
Катализ >>

Источник: http://itchem.ru/glava_5.himicheskie_reakcii

Теория столкновения

Столкновений теория

Для понимания масштаба повреждений автомобиля после ДТП, надо четко представлять, что происходит непосредственно в момент удара с кузовом автомобиля, какие участки подвержены деформации. И Вы будете неприятно удивлены узнать, что при фронтальном ударе появляется перекос задней части кузова.

Соответственно, после недобросовестного кузовного ремонта передней части, даже если автомобиль был на стапеле, Вы будете наблюдать заедание крышки багажника, перетирание уплотнительной резинки и многое др. Если Вас заинтересовала эта тема, предлагаю ознакомиться с учебным материалом по теории столкновений, который подготовили специалисты нашего учебного центра.

Общие сведения

Теориястолкновенияэтознаниеипониманиесил, возникающихидействующихпристолкновении.

Кузов сконструирован так, чтобы противостоять ударам при обычном движении и обеспечить безопасность пассажиров в случае столкновения автомобиля.

При конструировании кузова особое внимание уделяется тому, чтобы он деформировался и поглощал максимальное количество энергии при серьезном столкновении и в то же время оказывал минимальное воздействие на пассажиров.

Для этой цели передняя и задняя части кузова должны до определенного предела легко деформироваться, создавая конструкцию, поглощающую энергию удара, и в то же время эти части кузова должны быть жесткими, чтобы сохранить зону отделения для пассажиров.

Определение нарушения положения элементов конструкции кузова:

  • Знание теории столкновения: понимание того, как конструкция автомобиля реагирует на силы, возникающие при столкновении.
  • Осмотр кузова: поиск признаков, указывающих на повреждение конструкции и его характер.
  • Проведение измерений: основные замеры, используемые для выявления нарушений положения элементов конструкции.
  • Заключение: применение знаний по теории столкновения совместно с результатами внешнего осмотра для оценки фактического нарушения положения элемента или элементов конструкции.

Виды столкновений

Когда два или большее число объектов сталкиваются друг с другом возможны следующие варианты столкновений

По начальному взаиморасположению объектов

  • Оба объекта движутся
  • Один движется, а другой неподвижен
  • Дополнительные столкновения

По направлению удара

  • Столкновение спереди (фронтальное)
  • Столкновение сзади
  • Боковое столкновение
  • Опрокидывание

Рассмотрим каждый из них

Влияние сил инерции при столкновении

Под действием сил инерции движущийся автомобиль стремиться продолжить движение в прямом направлении и при ударе о другой объект или автомобиль действует как сила.

Автомобиль, стоящий неподвижно, стремиться сохранить неподвижное состояние и действует как сила, противодействующая другому автомобилю, который на него наехал.

Сила и поверхность удара

Повреждение будет разным для данных автомобилей одинаковой массы и имеющих одинаковую скорость в зависимости от объекта столкновения, например, столба или стены.

Это может быть выражено уравнениемf = F / A,где f – величина силы удара на единицу поверхностиF — силаА – поверхность удараЕсли удар приходится на большую поверхность, повреждение будет минимальным.

Наоборот, чем меньше поверхность удара, тем более серьезным будет повреждение.

На примере справа бампер, капот, радиатор и т. д. серьезно деформированы. Двигатель сдвинут назад и последствия столкновения доходят до задней подвески.

Первичное повреждение

Столкновение между автомобилем и препятствием называется первичным столкновением, а создаваемое при этом повреждение — первичным повреждением.
Непосредственное повреждениеПовреждение, вызываемое препятствием (внешней силой), называется непосредственным повреждением.

Повреждения от волнового эффекта

Повреждения, создаваемые при передаче энергии удара, называются повреждениями от волнового эффекта.

Вызванное повреждение

Повреждение, вызываемое в других частях, испытывающих растягивающее или толкающее усилие в результате непосредственного повреждения или повреждения от волнового эффекта, называется вызванным повреждением.

Вторичное повреждение

Когда автомобиль сталкивается с препятствием, создается большая сила замедления, которая останавливает автомобиль в течение нескольких десятков или сотен миллисекунд.

В этот момент пассажиры и предметы внутри салона автомобиля будут пытаться продолжать свое движение со скоростью автомобиля до столкновения.

Столкновение, которое вызывается инерцией и которое имеет место внутри автомобиля, называется вторичным столкновением, а получающееся в результате этого повреждение называется вторичным (или инерционным) повреждением.

Категории нарушения положения частей конструкции

  • Прямое смещение
  • Косвенное (непрямое) смещение

Рассмотрим каждое из них отдельно

Поглощение удара

Автомобиль состоит из трех секций: передняя, средняя и задняя. Каждая секция из-за особенностей ее конструкции при столкновении реагирует независимо от других. Автомобиль не реагирует на удар как одно нераздельное устройство. На каждой секции (передней, средней и задней) воздействие внутренних и (или) внешних сил проявляется отдельно от других секций.

Конструкция для поглощения удара при столкновении

Главное назначение этой конструкции — эффективно поглощать энергию удара всей рамой кузова дополнительно к разрушаемым передней и задней частям кузова. В случае столкновения эта конструкция обеспечивает минимальный уровень деформации пассажирского салона.

Передняя часть кузова

Поскольку вероятность столкновения для передней части кузова относительно высока, в дополнение к передним лонжеронам предусмотрены верхние усилители фартука крыла и верхние боковые панели торпедо кузова с зонами концентрации напряжения, предназначенные для поглощения энергии удара.

Задняя часть кузова

Из-за сложного сочетания панелей задней боковой части кузова, короба заднего пола и элементов, сваренных с помощью точечной сварки, поверхности поглощения удара относительно трудно заметить в задней части кузова, хотя концепция поглощения удара остается аналогичной. В зависимости от расположения топливного бака поверхность поглощения удара лонжеронов заднего пола изменена так, чтобы поглощать энергию удара от столкновений без повреждения топливного бака.

Волновой эффект

Энергия удара характеризуется тем, что легко проходит по прочным участкам кузова и, наконец, достигает более слабых участков, повреждая их. На этом основан принцип волнового эффекта.

Передняя часть кузова

В заднеприводном автомобиле (FR), если энергия удара F приложена к передней кромке А переднего лонжерона, она поглощается посредством повреждения зон А и В и вызывает также повреждение зоны С.

Затем энергия проходит через зону D и после изменения направления достигает зоны Е. Повреждение, создаваемое в зоне D, показано смещением назад лонжерона.

Энергия удара затем вызывает повреждение от волнового эффекта панели щитка приборов и короба пола, прежде чем распространится по более обширной площади.

 В переднеприводном автомобиле (FF) энергия фронтального удара будет вызывать интенсивное разрушение передней части (А) лонжерона. Энергия удара, вызывая выпучивание задней части В лонжерона, в конце концов приводит к повреждению панели щитка приборов (С) от волнового эффекта.

Тем не менее, волновой эффект на заднюю часть (С), усиление (нижней задней части лонжерона) и кронштейн рулевого механизма (в нижней части щитка приборов) остается незначительным. Это происходит потому, что центральная часть лонжерона будет поглощать большую часть энергии удара (В).

Другой характеристикой переднеприводного автомобиля (FF) является также повреждение опор двигателя и соседних участков.

Если энергия удара направлена к участку А фартука крыла, будут также повреждаться более слабые участки В и С по пути распространения энергии удара, обеспечивая гашение некоторой части энергии по мере ее распространения назад.

После зоны D волна будет воздействовать на верхнюю часть стойки и продольный брус крыши, но воздействие на нижнюю часть стойки будет незначительным. Как результат, передняя стойка будет наклоняться назад, причем ее нижняя часть будет действовать в качестве оси поворота (в месте соединения с панелью).

Типичным результатом этого перемещения является сдвиг в зоне посадки двери (дверь становится смещенной).

Задняя часть кузова

Энергия удара по панели задней боковой части кузова вызывает повреждение в зоне контакта и затем у боковины задка. Также панель задней боковой части кузова будет сдвигаться вперед, исключая любой промежуток между панелью и задней дверью.

Если прилагается более высокая энергия, задняя дверь может быть подана вперед, деформируя центральную стойку, и повреждение может распространяться на переднюю дверь и переднюю стойку.

Повреждение двери будет концентрироваться в подогнутых участках в передней и задней частях наружной панели и в зоне замка двери внутренней панели. Если стойка повреждена, то типичным симптомом является плохо закрываемая дверь.

Другим возможным направлением волнового эффекта является путь от стойки боковины задка к продольному брусу крыши.

В этом случае задняя часть продольного бруса крыши будет толкаться вверх, создавая больший зазор у задней части двери. Затем деформируется участок соединения панели крыши и задней боковой части кузова, приводя к деформации панели крыши над центральной стойкой.

Источник: http://www.nikamotors.ru/polezno-znat/teoriya-stolknoveniya/

Квантовая теория столкновений

Столкновений теория

В.В. Балашов

Квантовая теория столкновений. М.: МАКС Пресс, 2012. 292 с. © МГУ имени М.В. Ломоносова, 2012

©НИИЯФ МГУ, 2012 © Балашов В.В.,2012

Книга знакомит с методами стационарной и нестационарной нерелятивистской теории столкновений и служит выработки навыков их практического применения в задачах современной физики. Особый упор сделан на методах и представлениях, используемых в теории столкновений с участием составных систем.

Материал разбит на лекции, в конце каждой лекции даны упражнения, подобранные так, чтобы студент при условии последовательного усвоения материала мог сделать их самостоятельно. Книга также будет полезна аспирантам и научным работникам, специализирующимся в атомной физике, физике ядра и частиц.

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Лекция 1. Стационарная теория потенциального рассеяния. Общие положения

§1.1. Постановка задачи. Интегральное уравнение для волновой функции. Асимптотическое условие § 1.2. Функция Грина свободного движения частицы. Амплитуда рассеяния § 1.3. Связь дифференциального сечения рассеяния с амплитудой рассеяния           Упражнения

Лекция 2. Борновское приближение

§ 2.1. Разложение амплитуды рассеяния по кратности взаимодействия. Борновское приближение § 2.2. Об условиях применимости борновского приближения § 2.3. Угловая и энергетическая зависимости рассеяния быстрых частиц на потенциале конечного радиуса § 2.4. Формула Резерфорда. Рассеяние точечного заряда неподвижным протяженным зарядом           Упражнения

Лекция 3. Рассеяние на сферически-симметричном потенциале. Разложение по парциальным волнам

§3.1. Дифференциальное и интегральное уравнения для радиальных волновых функций § 3.2. Фазы рассеяния § 3.3. Энергетическая зависимость фаз рассеяния при низких энергиях § 3.4. Методы вычисления фаз рассеяния           Упражнения

Лекция 4. Рассеяние при низких и при высоких энергиях

§ 4.1. Рассеяние при низких энергиях. Длина рассеяния, обобщенная длина рассеяния, эффективный радиус взаимодействия § 4.2. Рассеяние при высоких энергиях. Эйкональное приближение § 4.3. Сравнение эйконального и борновского приближений. Условия применимости эйконального приближения           Упражнения

Лекция 5. Кулоновское рассеяние

§5.1. Особенности задачи о кулоновском рассеянии § 5.2. Решение задачи о кулоновском рассеянии в параболических координатах § 5.3. Рассеяние на потенциале с кулоновской асимптотикой           Упражнения

Лекция 6. Дополнительные вопросы теории потенциального рассеяния

§ 6.1. Функция Грина частицы, движущейся в поле силового центра § 6.2. Оператор перехода (t-оператор) § 6.3. Решение уравнения Липпмана-Швингера для t-оператора. Случай сепарабельного взаимодействия § 6.4. Об аналитических свойствах t-матрицы § 6.5. Эйкональное приближение для функции Грина свободной частицы           Упражнения

Лекция 7. Нестационарная теория столкновений

§ 7.1. Столкновения при одномерном движении § 7.2. Рассеяние трехмерных волновых пакетов. Асимптотические состояния. Оператор рассеяния § 7.3. Свойства S-оператора. Связь S-оператора с t-оператором § 7.4. Дифференциальное сечение потенциального рассеяния в нестационарной теории           Упражнения

Лекция 8. Упругое и неупругое рассеяния частиц на составной системе в борновском приближении

§8.1. Борновское приближение как первый порядок теории возмущений. Дифференциальные сечения упругого и неупругого рассеяний § 8.2. Упругое рассеяние быстрых электронов на атомах § 8.3. Возбуждение дискретных уровней атомов быстрыми электронами.

Понятие неупругого формфактора. Правила отбора при малом передаваемом импульсе. Энергетическая зависимость вероятности оптически разрешенных переходов § 8.4. Плотность перехода.

Связь между неупругими формфакторами и переходными плотностями           Упражнения

Лекция 9. Правила сумм в теории столкновений. Приближение полноты

§ 9.1. Роль правил сумм в атомной и ядерной физике. «Динамические» правила сумм в теории столкновений § 9.2. Некогерентное рассеяние быстрых электронов на атомах. Связь вероятности рассеяния с парной корреляционной функцией § 9.3. Средняя энергия, теряемая частицей при некогерентном рассеянии. Понятие квазисвободного взаимодействия           Упражнения

Лекция 10. Основные понятия многоканальной теории рассеяния

§ 10.1. Уравнения метода сильной связи каналов. Асимптотические условия § 10.2. Задача о двух связанных каналах § 10.3. Вероятность упругого и неупругого рассеяний: S-матрица § 10.4. Понятие обобщенного оптического потенциала. Оптическая модель упругого рассеяния             Упражнения

Лекция 11. Оптический потенциал в теории неупругого рассеяния. Метод искаженных волн

§ 11.1. Приближение искаженных волн § 11.2. Метод искаженных волн и оптическая модель § 11.3. Метод искаженных волн при высоких энергиях             Упражнения

Лекция 12. Резонансное рассеяние

§ 12.1. Резонансы в задаче о двух связанных каналах § 12.2. Резонансы в рассеянии и распадающиеся состояния § 12.3. Признаки резонанса § 12.4. Резонансный механизм расщепления составных систем             Упражнения

Лекция 13. Многочастичная теория столкновений в t-матричной формулировке

§ 13.1. Метод Кермана – Мак-Мануса – Талера § 13.2. Двухчастичная t-матрица и оптический потенциал § 13.3. Импульсное приближение § 13.4. Столкновения в системе трех частиц. Уравнения Фаддеева             Упражнения

Лекция 14. Медленные столкновения

§ 14.1. Поляризационный потенциал атомов § 14.2. Взаимодействие между нейтральными атомами § 14.3. Перезарядка атомов при медленных соударениях. Понятие квазимолекулярных термов § 14.4. Кулоновское возбуждение ядер             Упражнения

Лекция 15. Дифракционное рассеяние

§ 15.1. Рассеяние на абсолютно черной сфере § 15.2. Модель Глаубера – Ситенко § 15.3. Неупругое и квазиупругое (некогерентное) рассеяния § 15.4. Неупругое рассеяние в пределе очень сильного поглощения § 15.5. Многоканальная теория дифракционного рассеяния             Упражнения

Лекция 16. Унитарность S-матрицы. Дисперсионные соотношения. Связь сечений прямых и обратных процессов

§ 16.1. Унитарность S-матрицы и ее следствия § 16.2. Дисперсионные соотношения § 16.3. Обращение времени. Связь сечений прямого и обратного процессов при столкновении             Упражнения

Лекция 17. Эффекты взаимодействий, зависящих от спина. Тождественность частиц

§ 17.1. Инвариантные свойства амплитуды рассеяния частиц со спином. Поляризация частиц при рассеянии § 17.2. Рассмотрение поляризационных явлений на основе аппарата спиновой матрицы плотности § 17.3. Рассеяние тождественных частиц § 17.4. Эффекты тождественности частиц при столкновении составных систем             Упражнения

ЛИТЕРАТУРА

Источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru/qti

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть