Яков Гегузин - Живой кристалл

• Название: Живой кристалл
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «Наука»
• Жанр: Физика
• Год: 1981

Книга содержит научно-популярное изложение современных представлений о физических явлениях и процессах, которые происходят в реальных кристаллах и определяют их физические свойства и эксплуатационные характеристики. Рассказано о движении атомов, составляющих решетку, о характеристиках и свойствах различных дефектов строения реальных кристаллов, о том, как кристалл хранит воспоминания о своем прошлом, повлиявшем на его структуру. Используемые в книге формулы вполне доступны овладевшему лишь начальными сведениями из алгебры.

Книга рассчитана на всех лиц, интересующихся современным естествознанием.

---

Программа ясна, выполнить ее несложно. Когда мы нагреваем кристалл на ∆Т градусов, каждый из его атомов получает дополнительную энергию теплового движения k ∆Т. Здесь k — известная со школьной скамьи постоянная Больцмана. Если эта энергия расходуется лишь на то, чтобы увеличить расстояние между соседними атомами, то, видимо, рассуждать можно так. С одной стороны, дополнительная энергия равна k ∆Т. С другой стороны, ее можно представить в виде произведения объема, приходящегося на один атом, ω, на то эффективное напряжение σ, действию которого атом подвержен. Строго я это доказывать здесь не стану, а только обращу внимание читателя на то, что если умножить объем, имеющий размерность см3, на напряжение, имеющее размерность эрг/см3, то получится эрг, т. е. действительно энергия. Итак, из условия k ∆Т ≈ σω следует, что σ ≈ k ∆Т/ω. Таким образом,

Дело сделано, действительно оказывается, что с ростом Е убывает γ. Так как для металлов Е ≈ 1012 эрг/см3, ω ≈ 3.10-23 см3, а постоянная Больцмана k = 1,38• 10-16 эрг/К, то γ ≈ 4• 10-6 К-1. Эта величина близка к той, которую можно найти в справочных таблицах.

Можно примыслить мудрого теоретика, который развил бы изложенную логику до наблюдения теплового расширения твердых тел и таким образом предсказал бы его. В действительности, однако, события развивались в обратном порядке. Тепловое расширение не могли не наблюдать еще первобытные, а их «теоретики» заведомо не были изощрены в потенциалах взаимодействия.

Оставим рассуждения в стороне и попробуем промоделировать взаимодействие между атомами. Весь ход зависимости энергии взаимодействия от расстояния между атомами моделировать сложно, а вот ту ее часть, которая соответствует притяжению между атомами и на предыдущем рисунке изображена пунктиром, мы промоделируем легко и просто, воспользовавшись моделью БНЛ.

Для нашего моделирования надо ухитриться создать на некотором расстоянии друг от друга всего два одинаковых мыльных пузырька. Удобно проводить опыт с пузырьками, диаметр которых 1—2 мм.

Разобщенные пузырьки без нашего вмешательства вначале очень медленно, а затем, ускоряясь, будут двигаться навстречу друг другу, пока не столкнутся. Столкнувшись, они соприкоснутся не в точке, а как бы вдавятся один в другой. Это хорошо видно на рисунке на с. 15.

Оказывается (именно так: оказывается!), что с изменением расстояния между пузырьками энергия их взаимодействия изменяется по закону, очень близкому к тому, которому подчиняются атомы в металлах. Следя за тем, как изменяется скорость сближения двух одинаковых пузырьков с уменьшением расстояния между ними, можно установить свойственный им ход зависимости W(l). Так вот получается, что зависимость W(l) для пузырьков диаметром ≈ 1 мм почти такая же, как для атомов никеля. Речь, разумеется, идет не о количественном совпадении кривых, а об их ходе. По-моему, очень интересно!

ОТКРЫТИЕ ДЮЛОНГА И ПТИ

В истории физики 1819 г. отмечен свершением: французские ученые Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти опубликовали результаты своих опытов по измерению теплоемкости твердых тел. Обобщая эти результаты, они сформулировали фундаментальный закон, согласно которому произведение теплоемкости одного грамма вещества в твердом состоянии на его молярную массу есть величина почти одинаковая для всех веществ, не зависит от температуры и составляет около шести калорий. Или, по-иному, теплоемкость в расчете на моль для всех веществ одна и та же: 6 кал/(моль•К). Осторожные слова «почти» и «около» нисколько не умаляют значимости обобщения. Это будет ясно из дальнейшего.

Сейчас трудно надежно реконструировать психологическую канву, на фоне которой было сделано это открытие, но думается, что, найдя такое широкое обобщение, Дюлонг и Пти должны были быть потрясены его величием. Так как моль любого вещества содержит одно и то же количество атомов, то находка Дюлонга и Пти означает, что для повышения на один градус температуры твердого вещества каждый его атом поглощает одно и то же количество энергии. Ничего удивительного нет в том, что все атомы данного элемента равноправны: с чего бы, собственно, им отличаться? А вот что перед законом равны и атомы различных элементов — это должно было бы поразить и открывателей, и их современников.

Для нас, прослеживающих судьбы живого кристалла, закон Дюлонга и Пти может явиться источником сведений о том, как движутся атомы в кристалле, — именно поэтому и начат рассказ о теплоемкости. Ведь тепло, поглощаемое кристаллом при его нагреве, расходуется на увеличение интенсивности теплового движения атомов.

Сделаем конкретное предположение о характере этого движения и попытаемся теоретически оправдать закон Дюлонга и Пти. Можно было бы строить логику в обратном порядке: исходить из закона Дюлонга и Пти и пытаться понять, какому характеру движения атомов он соответствует. Воспользуемся первой возможностью.

Допустим, что каждый атом в узле кристаллической решетки колеблется подобно маятнику независимо от своих соседей, ближних и тем более дальних. Воспользуемся следующей моделью кристалла и происходящего в нем теплового движения. Представим себе атом в виде весомого шарика, укрепленного на трех парах взаимно перпендикулярных пружинок так, как это изображено на рисунке. Три пары пружинок символизируют то обстоятельство, что атом может колебаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Физики говорят так: атом имеет три независимые степени свободы. Итак, принимаем модель: кристалл — совокупность упорядоченно расположенных в пространстве «трехпружинных» маятников, каждый из которых по существу является совокупностью трех осцилляторов.

Прежде чем эту модель положить в основу расчета теплоемкости, необходимо определить энергию колеблющегося маятника. Безотносительно к значению этой энергии можно утверждать, что в течение одного периода колебаний маятника ее величина должна оставаться неизменной, к этому ее обязывает закон сохранения энергии. В предыдущей фразе упомянут «один период» лишь потому, что любой из периодов в равной мере подвластен закону сохранения энергии. В колеблющемся маятнике последовательно происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную и потенциальной в кинетическую, при этом в среднем за период каждая из этих энергий оказывается равной kT/2, и в сумме они составляют полную энергию осциллятора

Wo = kT, где k — уже встречавшаяся константа Больцмана.

В кристалле, масса которого равна молярной, имеется N атомов, т. е. 3N маятников, где N = 6 • 1023 моль-1 — так называемое число Авогадро. Так как средняя тепловая энергия каждого из атомов Wo, то тепловая энергия, заключенная в кристалле, W = 3NkТ. Зная энергию W, мы легко определим теплоемкость кристалла:

С = W/Т = 3Nk. Если воспользоваться известными значениями N и k и учесть, что одна калория равна 4,2 •107 эрг, легко убедиться, что предыдущая формула означает: С ≈ 6 кал/(моль • К)!

Серьезный успех: мы придумали элементарную модель теплового движения в кристалле и получили закон Дюлонга и Пти. Прочтем наш результат немного по-иному: согласующийся с нашим расчетом и экспериментально подтвержденный закон Дюлонга и Пти свидетельствует о том, что мы, видимо, правильно понимаем характер теплового движения атомов в кристалле, воплощенный в нашей модели.

Все сказанное — правда, однако не вся правда. Хочется сказать так: только «высокотемпературная» часть правды. Дело в том, что прошло не более десяти лет после открытия Дюлонга и Пти, как было обнаружено, что некоторые тугоплавкие вещества, например алмаз, не подчиняются этому закону. А потом было установлено, что теплоемкость таких веществ не является постоянной, как это предсказывает закон Дюлонга и Пти, а увеличивается с ростом температуры, стремясь к тому значению, которое законом предусматривается.

Со временем, когда научились экспериментировать в области низких температур, выяснилось, что особенность поведения тугоплавких веществ — никакая не особенность, а, наоборот, является нормой для всех веществ.