Усі речовини складаються з молекул - частинок, кожна з яких визначає всі фізико-хімічні властивості речовини.
Молекули простих речовин (K, He, O2, H2, Mo,...) складаються з одного або кількох атомів одного хімічного елемента.
Молекули складних речовин (UO2, H3BO3, B4C, ...) складаються з атомів кількох хімічних елементів.
Молекули й атоми, що їх утворюють, різняться передусім за їхньою масою. Для зручності порівняння маси різних молекул (атомів) прийнято вимірювати у відносних одиницях, які називають атомними одиницями маси (а. о. м.).
1 а. о. м. - це 1/12 частина маси ізотопа атома вуглецю-12.
В одиницях системи СГС (яку найчастіше використовують у нейтронно-фізичних розрахунках) 1 а. о. м. еквівалентна 1.660567.10-24 г. Відносна маса молекули або атома, виражена в а. о. м., називається молекулярною (або атомною відповідно) масою і позначається символом А.
Просторову густину молекул (атомів) у різних речовинах прийнято оцінювати величиною молекулярної (атомної) концентрації, тобто кількістю молекул (атомів), що містяться в одиниці об'єму речовини.
Спираючись на наслідок закону Авогадро про те, що кількість молекул в 1 молі речовини - величина стала (яку називають числом Авогадро NA= 6.0221.1023 моль-1), молекулярну концентрацію будь-якої речовини легко розрахувати за відомими величинами густини g і молекулярної маси А речовини за формулою:
N = gNA/А (1.1)
В одиницях системи СГС розмірність обчисленої за формулою (1.1) величини молекулярної концентрації – см -3, тобто молекул в 1 см3.
Таким чином, виходить, що:
а) для простих речовин, кожна молекула яких містить лише один атом, молекулярна концентрація речовини за величиною збігається з атомною концентрацією і обчислюється за формулою (1.1);
б) для складних речовин, кожна молекула яких містить m сортів атомів різних хімічних елементів, молекулярна концентрація також знаходиться за формулою (1.1), в якій молекулярна маса
A = n1A1 + n2A2 + ...+ niAi + … + nmAm, (1.2)
яку знаходять за правилами хімії, є сумою мас усіх m компонентів молекули речовини; (тут ni - кількість атомів кожного компонента в молекулі речовини, а Ai - атомна маса i-го компонента);
Приклад. Кристалічна борна кислота H3BO3 густиною g = 1.28 г/см3 матиме відносну молекулярну масу:
A = 3Aн+1Aв+3Aо = 3. 1 + 1 .10.81 + 3 .16 = 61.81 а. о. м.,
а отже, її молекулярна концентрація дорівнюватиме:
N = gNA/A = 1.28 . 6.0221 .1023/61.81 = 1.2471 .1022 см-3.
в) атомні концентрації компонентів складних речовин знаходять за загальною формулою
Ni = ni .N (1. 3)
де ni - кількість атомів i-го компонента в кожній молекулі речовини, а N - молекулярна концентрація речовини.
Приклад. У згаданому вище прикладі борної кислоти:
- атомна концентрація водню Nн= 3N = 3 .1.2471.1022 = 3.7413 .1022 см-3, бо в кожній молекулі борної кислоти міститься три атоми водню;
- атомна концентрація бору Nв = N = 1.2471 .1022 см-3, бо в молекулі борної кислоти міститься лише один атом бору;
- атомна концентрація кисню No= 3N = 1.2471 .1022 см-3 бо в кожній молекулі борної кислоти по три атоми кисню.
г) атомні концентрації в простих багатоатомних речовинах, очевидно, можна розглядати як окремий випадок (в) і знаходити за загальною формулою (1.3).
Приклад. Молекула йоду (J2) містить по два атоми хімічного елемента йоду, тому атомна концентрація йоду в кристалічному йоді густиною g = 4.9 г/см3 дорівнюватиме
Nj = g NA n / A = 4.9 .6.0221 .1023 .2 / 2 .126.9 = 2.325 .1022 см-3.
Молекули простих речовин (K, He, O2, H2, Mo,...) складаються з одного або кількох атомів одного хімічного елемента.
Молекули складних речовин (UO2, H3BO3, B4C, ...) складаються з атомів кількох хімічних елементів.
Молекули й атоми, що їх утворюють, різняться передусім за їхньою масою. Для зручності порівняння маси різних молекул (атомів) прийнято вимірювати у відносних одиницях, які називають атомними одиницями маси (а. о. м.).
1 а. о. м. - це 1/12 частина маси ізотопа атома вуглецю-12.
В одиницях системи СГС (яку найчастіше використовують у нейтронно-фізичних розрахунках) 1 а. о. м. еквівалентна 1.660567.10-24 г. Відносна маса молекули або атома, виражена в а. о. м., називається молекулярною (або атомною відповідно) масою і позначається символом А.
Просторову густину молекул (атомів) у різних речовинах прийнято оцінювати величиною молекулярної (атомної) концентрації, тобто кількістю молекул (атомів), що містяться в одиниці об'єму речовини.
Спираючись на наслідок закону Авогадро про те, що кількість молекул в 1 молі речовини - величина стала (яку називають числом Авогадро NA= 6.0221.1023 моль-1), молекулярну концентрацію будь-якої речовини легко розрахувати за відомими величинами густини g і молекулярної маси А речовини за формулою:
N = gNA/А (1.1)
В одиницях системи СГС розмірність обчисленої за формулою (1.1) величини молекулярної концентрації – см -3, тобто молекул в 1 см3.
Таким чином, виходить, що:
а) для простих речовин, кожна молекула яких містить лише один атом, молекулярна концентрація речовини за величиною збігається з атомною концентрацією і обчислюється за формулою (1.1);
б) для складних речовин, кожна молекула яких містить m сортів атомів різних хімічних елементів, молекулярна концентрація також знаходиться за формулою (1.1), в якій молекулярна маса
A = n1A1 + n2A2 + ...+ niAi + … + nmAm, (1.2)
яку знаходять за правилами хімії, є сумою мас усіх m компонентів молекули речовини; (тут ni - кількість атомів кожного компонента в молекулі речовини, а Ai - атомна маса i-го компонента);
Приклад. Кристалічна борна кислота H3BO3 густиною g = 1.28 г/см3 матиме відносну молекулярну масу:
A = 3Aн+1Aв+3Aо = 3. 1 + 1 .10.81 + 3 .16 = 61.81 а. о. м.,
а отже, її молекулярна концентрація дорівнюватиме:
N = gNA/A = 1.28 . 6.0221 .1023/61.81 = 1.2471 .1022 см-3.
в) атомні концентрації компонентів складних речовин знаходять за загальною формулою
Ni = ni .N (1. 3)
де ni - кількість атомів i-го компонента в кожній молекулі речовини, а N - молекулярна концентрація речовини.
Приклад. У згаданому вище прикладі борної кислоти:
- атомна концентрація водню Nн= 3N = 3 .1.2471.1022 = 3.7413 .1022 см-3, бо в кожній молекулі борної кислоти міститься три атоми водню;
- атомна концентрація бору Nв = N = 1.2471 .1022 см-3, бо в молекулі борної кислоти міститься лише один атом бору;
- атомна концентрація кисню No= 3N = 1.2471 .1022 см-3 бо в кожній молекулі борної кислоти по три атоми кисню.
г) атомні концентрації в простих багатоатомних речовинах, очевидно, можна розглядати як окремий випадок (в) і знаходити за загальною формулою (1.3).
Приклад. Молекула йоду (J2) містить по два атоми хімічного елемента йоду, тому атомна концентрація йоду в кристалічному йоді густиною g = 4.9 г/см3 дорівнюватиме
Nj = g NA n / A = 4.9 .6.0221 .1023 .2 / 2 .126.9 = 2.325 .1022 см-3.