Реферат: Твердое тело как электрическая система
Представление о внутреннем строении окружающих нас тел испытало резкие изменения. Уже первые наблюдения над способностью тел сокращаться при сжатии и расширяться при нагревании заставили подозревать, что при всей видимой сплошности и взаимной непроницаемости тела построены из мельчайших неделимых частиц — атомов, сближение или удаление которых друг от друга и вызывает видимое изменение размеров тела. Естественно, что атомная картина получила развитие прежде всего в применении к газам, которые особенно легко и сильно меняют свой объем. Кинетическая теория газов в точной количественной форме была уже развита в XVIII в. Бернулли и Ломоносовым. С тех пор газы всегда служили областью наиболее успешного применения атомных представлений. На газах эти представления оформились в теорию, которая постепенно стремилась охватить и жидкое и твердое состояния.
Наоборот, представление о сплошном заполнении пространства лучше всего применимо к наиболее плотному твердому состоянию. И действительно, на протяжении всего XIX в. все теории, стремившиеся объяснить свойства твердых тел, исходили из картины сплошности. Таковы теория упругости, теория оптических и электрических явлений. Для общности, зная, что твердое тело может переходить в газ и получаться конденсацией газа, они не отрицали присутствия атомов и в твердых телах, однако там они остались бесполезной гипотезой еще 150 лет после создания кинетической теории газов. Дюбуа-Реймон, близорукий философ-натуралист XIX в., объявил решение вопроса о сплошности или атомности навсегда недоступным человеческому уму. Энергетическая школа Оствальда считала возможным устранить самый вопрос об атоме, пользуясь одними формальными закономерностями. Непонимание значения атомных представлений, доведшее до самоубийства гениального творца атомной статистической физики Больцмана, в значительной степени обязано тому, что свойства газов перестали привлекать интерес ученых, увлеченных новыми перспективами термодинамики и электродинамики.
1906 г. — год смерти Больцмана — был началом победы его идей, победы, еще недавно казавшейся окончательной. В самом деле, теория броунова молекулярного теплового движения, созданная Эйнштейном, в опытах Перрена непосредственно свидетельствовала о тепловом движении атомов и определяла их размеры. Вильсон наглядно обнаружил путь отдельного атома гелпя, пропуская альфа-лучи радиоактивных тел через пересыщенный водяной пар, а Рамзай показал, что, собрав эти альфа-лучи, мы получаем известный газ гелий. Камерлинг-Оннес перевел гелий в жидкое состояние, а Кеезом — в твердое. Этот твердый гелий состоит из тех частичек, каждую из которых мы в отдельности могли обнаружить в опыте Вильсона или же видеть вспышки экрана от удара каждой отдельной частицы.
Победа атомных представлений перешла даже за пределы материи, для которой эти представления были созданы. Квантовая теория Планка и атомы света Эйнштейна перенесли атомные представления в волновую теорию света, в свойства эфира и энергии. Не осталось области физики, где бы не было атомов или квантов. Классическое изречение теории сплошности: «Природа не знает скачков» заменено его антитезой: «Все в природе прерывно».
В резком противоречии с этим переворотом в представлениях оставались прежние логические и математические методы, целиком приспособленные к идее сплошности. Это несоответствие надолго задержало развитие квантовых представлений.
Но если атомы победили, то эта победа стоила им их главного признака — цельности, неделимости. Победив, атом рассыпался па более мелкие единицы: положитель-ное ядро и отрицательные электроны. Атом — это целая система, микрокосмос, в котором десятки электронов вращаются вокруг центрального ядра, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца. Применив к движению электронов в атоме квантовые законы, Бор создал модель атома, которая в течение 10 лет служила путеводной нитью для всей физики. Вскоре р компактное ядро — это солнце атома — рассыпалось на свои элементы: положительные протоны и те же отрицательные электроны. Все разнообразие тел живой природы и еще большее разнообразие объектов лаборатории и техники свелось к этим двум основным элементам, к двум электрическим зарядам. Таким образом, природа оказалась насквозь электрифицированной. В природе нет ничего, кроме электричества протонов и электронов. Все явления природы — проявление свойств этих электрических зарядов.
Что же такое протон и электрон? Подобно тому как раньше представляли себе атом в виде упругого сплошного шарика размером в стомиллионную долю сантиметра, так теперь электрон считают стариком, еще в десять тысяч раз меньшим, а протон — даже в десять миллионов раз меньшим, чем прежний атом. Эта картина была крайним пределом атомных идей. Атомная картина представляет самое плотное тело как совокупность частиц, отделенных друг от друга пустотой. Если бы мы захотели представить атом Бора, то надо было бы вообразить пустоту, в которой движутся пылинки, отдаленные друг от друга на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие их собственные размеры. Это картина, к которой мы привыкли в звездном мире. Твердое тело не больше заполнено веществом, чем мир — звездами. Если изобразить атом в масштабе большого зала, то все содержание его предстанет в виде нескольких пылинок размером в десятую долю миллиметра; все остальное — пустота. Некоторые авторы пытались лишить эти пылинки даже их скромных размеров, вводя понятие о точечном электроне как центре сил, не имеющем протяжения. Если вспомнить, что и электромагнитное излучение, распространяющееся в теле, было разбито на отдельно локализованные небольшие кванты, то мы поистине приходим к картине твердого тела как пустыни, в которой блуждают одинокие заряды и кванты. В первом приближении тело — это пустота; при ближайшем рассмотрении там можно заметить и саму материю — электрические заряды.
Волновая механика с новой стороны подошла к, казалось, уже решенному спору между сплошностью и прерывностью. Оказалось, что движение всякого тела, и электрона в частности, представляет собою волновое явление, охватывающее все безграничное пространство. Каждый электрон как бы заполняет собою все пространство. Правда, главная часть его сосредоточена вблизи его центра и быстро ослабевает по всем направлениям, так что уже на сравнительно небольших расстояниях электрон едва проявляется, но все же, нигде нельзя указать границы, где бы электрон прекращался полностью. Электрон, который раньше был резко очерченным шариком, теперь расплылся, быстро убывает, но нигде не кончается. Отдельные электроны проникают друг в друга. Таким образом, пустого пространства, собственно говоря, нигде нет. Материя, исходя из многочисленных центров — протонов и электронов, расплывается, заполняя все пространство. Эта картина получила и иное, более соответствующее квантовым воззрениям толкование. Расплывается не самый электрон, а его локализация. Обнаружить его положение в некоторый математический момент времени мы не можем. Наши сведения о положении электрона, основанные на его взаимодействии с другими электронами, носят статистический характер. Мы можем сказать, что он чаще всего бывает вблизи центра и все реже и реже встречается по мере удаления от него. Расплывчатая картина электрона, быть может, — только картина вероятности его нахождения в разных точках. Но все законы новой квантовой механики построены так, что только это статистически среднее распределение мы и можем обнаружить. Потому ли, что самый электрон размыт, или потому, что нашему наблюдению доступно только это среднее размытое распределение электрона в разных местах пространства, это на данной стадии наших знаний не так уж важно. Большего об электроне мы пока все равно не знаем.
Новая сплошная картина материи не есть отрицание предыдущей атомной, она есть ее дальнейшее развитие и в то же время синтез с теорией сплошности. И в новой картине сохраняются атомы и молекулы, электроны и протоны, их число и заряды. Даже прежние их размеры не потеряли своего смысла, получив статистическое толкование. Сохранились и важнейшие черты новой физики: полная электрификация вещества, изучение недоступных нашим органам чувств элементарных процессов как основы непосредственно наблюдаемых их проявлений. Интересно, что только в этот период синтеза начали строиться новые формы мышления и применяться те математические методы, которые вытекают из идеи прерывности. И сейчас еще наибольшей трудностью оказывается влить новое вино в новые меха. Старые еще так привычны, что только немногие физики говорят и мыслят на языке новых квантовых представлений. Большинство новые понятия пытается выражать при помощи старых представлений и принуждено постоянно пользоваться словарем для перевода с нового языка на старый. Раньше мы говорили о вращении маленьких шаровидных электронов вокруг ядра по определенным орбитам, теперь — о стоячих волнах, о колебаниях размытых распределений электронов. Несмотря на видимое различие этих понятий, между ними существует некоторое соответствие, позволяющее часто пользоваться одним языком вместо другого. Но старым языком можно пользоваться только до тех пор, пока он утверждает то же, что и новый. Там, где они в своих утверждениях расходятся, истина оказывается на стороне новой квантовой механики. Чем скорее мы ее освоим, тем лучше.
Мы рассмотрели отдельные элементы материи — атомы, молекулы, протоны и электроны. Какими силами они связываются в одно физическое тело, в особенности твердое тело? Можно различать пять типов сил взаимодействия между атомами.
1. Электростатические силы. Каждый атом представляет собою систему электрических зарядов. В нейтральном состоянии число электронов равно числу зарядов ядра. Одни атомы легко отдают свои электроны, образуя положительные ионы, другие присоединяют лишние электроны, превращаясь в отрицательные ионы. Простейший тип взаимодействия и представляет собою притяжение противоположно заряженных ионов.
Однако и в том случае, если числа положительных и отрицательных зарядов в атоме или молекуле равны друг другу, мы можем иметь электростатические силы, когда расположение зарядов несимметрично. Только атомы нейтральных газов — гелия, неона, аргона и др. обладают совершенно симметричным строением, не создающим электрического поля вне атома; все же другие окружены полем, имеющим в одних участках одно, в других — другое направление. Например, может случиться, что совокупность всех отрицательных зарядов сдвинута несколько в сторону по отношению к положительным. Тогда мы имеем как бы систему из двух раздвинутых зарядов, называемую диполем. Такие диполи притягиваются друг к другу или отталкиваются в зависимости от относительного расположения. Силы взаимодействия убывают с увеличением расстояния между диполями еще быстрее, чем в случае двух зарядов, — как четвертая степень расстояния, тогда как силы между двумя зарядами убывают как квадрат расстояния.
Далее, можно представить себе систему, состоящую из двух противоположных диполей, несколько сдвинутых относительно друг друга, — это квадруполи. Между ними также возможно притяжение или отталкивание, убывающее с расстоянием как шестая его степень.
Можно идти и дальше по этому пути, рассматривая систему двух сдвинутых противоположных квадруполей или октуполь и т. д. Еще недавно казалось, что молекулярные силы в твердом поле можно будет целиком свести к такого рода электростатическим взаимодействиям. Оказалось, однако, что их недостаточно: приходится учитывать и силы динамического происхождения.
2. Индукционные силы. Если мы спросим себя, почему не только разноименные ионы, но и заведомо нейтральные атомы и молекулы взаимно притягиваются, несмотря на то, что каждая из рассмотренных систем (диполи, квадруполи или октуполи) в зависимости от расположения одинаково часто могла бы испытывать как притяжение, так и отталкивание, то это можно будет объяснить только взаимным влиянием атомов друг на друга. Когда два нейтральных атома сближаются, то электрическое поле одного атома всегда смещает заряды в другом гак, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — приближаются, и поэтому влияние притяжения последних преобладает над отталкиванием первых. Если бы даже атом был симметричен, то, попадая в поле другого несимметричного атома, он теряет свою симметрию, превращаясь в диполь, и притом в такой диполь, который втягивается в создавшее его поле. Это — то же самое явление индукции, которым мы объясняем притяжение легких незаряженных предметов всяким электрическим зарядом, например притяжение кусочков бумаги наэлектризованным гребнем.
3. Еще большее значение имеют силы, вызванные взаимной ориентацией атомов при их сближении. Если, например, каждый из атомов обладает дипольным моментом, то такие атомы не только притягиваются или отталкиваются, но и взаимно поворачиваются, притом так, что на каких бы больших расстояниях они ни были расположены, сближаясь и поворачиваясь, они всегда притягиваются. Это — тот тип притяжения, который легко наблюдать между намагниченными иголками. В зависимости от того, повернуты ли две иголки друг к другу своими разноименными или одноименными полюсами, они будут притягиваться или отталкиваться, но если двум иголкам дать возможность вращаться, они всегда повернутся так, чтобы потом притянуться.
4. Многие атомы обладают дипольным моментом н оказывают магнитные действия. Однако по своей величине магнитные взаимодействия между атомами очень малы и существенной роли не играют.
5. Зато исключительное значение получают динамические молекулярные силы, смысл и значение которых лишь в самое последнее время выяснен квантовой механикой. При изучении взаимодействия двух атомов новая механика, в отличие от старой, не может рассматривать каждый атом и его энергию в отдельности. Оба они образуют одну нераздельную систему, в которой и каждый электрон приходится рассматривать одновременно связанным с обоими атомами и учитывать возможность перехода электрона из той части, которая раньше была одним атомом, в другую. Эти электроны участвуют в высокочастотных колебаниях, и взаимодействие между ними особенно усиливается в случае резонанса. Характерной чертой новой квантовой механики является также отождествление частоты колебаний с энергией электрона. Поэтому резонируют электроны, обладающие одинаковой энергией. Наконец, третьей чертой, внесенной новой механикой, является утверждение, что в одной системе не может быть двух одинаковых электронов. Поэтому если в двух атомах имеются электроны, одинаковые и по своей энергии и по направлению спинов своей магнитной оси. то в общей системе из этих двух атомов эти электроны уже не могут сохранить прежних значений характеризующих их переменных; их энергии или направления спинов должны стать разными. Из-за этого при сближении двух атомов один или несколько электронов переходят на более высокие уровни энергии, затрачивая работу; следовательно, между ними должно существовать отталкивание. В других случаях, наоборот, переход в одну общую систему при сближении атомов сопровождается уменьшением энергии и, стало быть, приводит к силам притяжения.
Подобные квантовые силы играют основную роль как при образовании молекул, так и при всякого рода взаимодействиях между ними. Наряду с ними существуют и остальные четыре типа сил, но из них только силы между ионами и лишь иногда силы между диполями по своей величине превышают квантовые. Поэтому все химические и молекулярные явления можно разбить на два больших класса: на системы из противоположно заряженных ионов, связанные преимущественно электростатическими силами, и на системы из нейтральных элементов, в которых преобладают динамические квантовые силы.
Рассмотрим сначала ионные, или полярные, системы. Электроны, входящие в состав атома, распределяются в замкнутые группы, окружающие ядро. Ближайшая к ядру группа заключает в себе два электрона с наименьшей энергией. Следующие электроны, в силу того требования, что в атоме не может быть двух одинаковых электронов, уже не находят себе места в первой группе и образовывают вторую замкнутую и симметричную группу, заключающую 8 электронов. Далее могут быть группы в 18 и 32 электрона.
Те элементы, число электронов которых как раз заполняет эти замкнутые группы, являются особенно устойчивыми, не вступают а химические реакции и в обмен электронами с другими атомами. Это — нейтральные газы: элементы № 2 (гелий), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон), 86 (эманация).* Все же остальные атомы имеют сверх этих законченных групп один, два или три лишних электрона или же им не хватает для образования вполне законченной группы соответственного числа электронов. Первые легко теряют лишние электроны и остаются заряженными положительно; вторые присоединяют недостающие им электроны извне, заряжаясь отрицательно. Таково происхождение положительных и отрицательных ионов. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу и соединяются попарно, образуя полярную молекулу. При достаточном охлаждении газ, состоящий из отдельных молекул, конденсируется в жидкость, где ионы различных молекул, притягиваясь друг к другу, отрываются or прежних связей. Однако сильное тепловое движение мешает им расположиться определенным образом, и такая ионная жидкость представляет собою хаотическую смесь положительных и отрицательных ионов, постоянно меняющихся местами.
Наконец, при дальнейшем охлаждении тепловое движение оказывается уже не в силах срывать ионы из положений с наименьшей энергией. Участвуя в хаотическом тепловом движении, они не удаляются заметно от этого своего положения равновесия. Вместо хаотической смеси мы получаем правильно расположенную систему ионов. В тех случаях, когда ионы совершенно симметричны, легко представить себе характер их расположения. Стремясь сблизиться под влиянием электростатических сил, ионы одного знака собираются вокруг ионов другого знака, взаимно окружая друг друга. Вокруг каждого положительного иона справа и слева, сверху и 'снизу, спереди и сзади расположится по отрицательному иону. Если мы проследим расположение ионов по одному из этих направлений, то на одинаковых расстояниях мы обнаружим чередование противоположных ионов. Из таких цепочек, расположенных рядом друг с другом, составляются плоскости, наподобие шахматной доски заполненные ионами, а из этих плоскостей, наслоенных друг над другом, — целое тело, твердый кристалл. Таков, например, кристалл каменной соли, построенный из положительных ионов натрия (атом натрия имеет 11 электронов, т. е. две замкнутые группы и один лишний электрон, который легко отдается, оставляя положительный ион натрия) и отрицательных ионов хлора (№ 17, которому не хватает одного электрона для образования третьей замкнутой группы).
Однако такое представление о кристалле, как о системе геометрически правильно расположенных зарядов, есть только схема, которая могла бы быть близкой к реальной картине лишь при полном отсутствии теплового движения. При обычных температурах тепловое движение, если и не достаточно для того, чтобы разрушить структуру кристалла, в отдельных местах все же удаляет то один, то другой ион из положения равновесия. Таким образом, и в твердом кристалле всегда имеется определенная часть ионов, не закрепленных и хаотически перемещающихся в кристалле. Другими словами, и в кристалле возможна диффузия и обмен местами индивидуальных ионов.
Так как сорванные со своего места ионы обладают зарядами, то под влиянием электрических сил они будут преимущественно перемещаться в ту сторону, куда направлена действующая на них сила. В электрическом поле создается односторонне направленный поток зарядов, т. е. электрический ток. Такова природа электропроводности кристаллов рассматриваемого ионного типа.
Изучая явления электропроводности, мне действительно удалось найти многочисленные подтверждения этой картины. Так, например, в некоторых кристаллах можно быстрым охлаждением создать нечто вроде закалки. Значительное число незакрепленных ионов, имевшихся в кристалле при высокой температуре, не успевает осесть на соответствующих свободных местах и остается диссоциированным. Несмотря на охлаждение, кристалл сохраняет повышенную электропроводность. Если в помощь тепловому прибавить лучистую энергию (лучи радия), то диссоциация, а с ней и электропроводность временно повышаются, чтобы после прекращения радиации постепенно вернуться в нормальное состояние.
Явления, наблюдаемые при помещении кристалла в электрическое поле, казались настолько сложными и непохожими на электропроводность хороших проводников — металлов и жидких электролитов, что их и не решались называть электропроводностью, а объединяли под заголовком диэлектрических аномалий. Оказалось, однако, что не только качественно, но и количественно всю совокупность наблюденных явлений можно было объяснить исходя из указанной картины частично диссоциированного ионного кристалла. Все же усложнения объяснились скоплением ионов одного знака внутри кристалла при пропускании сквозь него тока. Эти объемные заряды своим добавочным полем искажают влияние внешней электродвижущей силы, по могут быть заранее подсчитаны и учтены.
Во многих кристаллах непосредственным химическим анализом удалось показать, что электрический ток сопровождается переносом вещества к электродам в количествах, точно отвечающих закону Фарадея: каждый ион переносит определенное целое число зарядов. Можно было, далее, проследить перемещение каждого из двух противоположных ионов, составляющих полярный кристалл, и определить степень диссоциации каждого из них при разных температурах. Так, например, оказалось, что в кристалле каменной соли при комнатных температурах имеется весьма слабая диссоциация ионов натрия, которая быстро возрастает с повышением температуры; теплота диссоциации составляет 10 000 кал/г-атом. Ионы хлора диссоциированы гораздо слабее, чем натрий при комнатной температуре; теплота их диссоциации составляет 30000 кал. С повышением температуры диссоциация хлора растет значительно быстрее, чем натрия, и уже при 670 °С хлор и натрий одинаково диссоциированы, а при более высоких температурах хлор играет преобладающую роль в электропроводности соли.
Под влиянием очень коротких ультрафиолетовых волн, рентгеновых или радиоактивных лучей часть ионов натрия получает обратно утраченные электроны и превращается в атомы натрия, собирающиеся затем внутри кристалла в крупинки. Соль при этом окрашивается в желтый или бурый цвет. Если кристалл соли в этом состоянии осветить видимым светом, то он снова срывает с натрия электроны, и тогда в течение всего времени освещения мы имеем в кристалле постоянно освобождающиеся электроны, так же как и ионы, способные переносить ток. В этих условиях в каменной соли может существовать электронная проводимость. Подобно тому, как закон Фарадея является прямым доказательством ионного характера тока, так и электронный ток может быть обнаружен по отклонению, которое он испытывает в магнитном поле (явление Холла). Это явление действительно удалось наблюдать П.И. Лукирскому. Такая же электронная проводимость отмечена в сере, алмазе, цинковой обманке и ряде других кристаллов.
Большинство естественных кристаллов заключает в себе примеси, оказывающие громадное влияние на электропроводность. Примеси, во-первых, являются центрами усиленной диссоциации кристалла, а, во-вторых, не обладая определенным местом в кристаллической решетке, преимущественно (в сравнении с ионами самого кристалла) переносят ток. Примеси иногда в тысячи и десятки тысяч раз увеличивают нормальную проводимость кристалла. Долгое время они представляли собой одно из главных осложнений в изучении электрических свойств кристаллов. Нам удалось, однако, показать, что, очистив кристалл путем многократной тщательной кристаллизации, можно получить вещество со строго определенными и вполне закономерными свойствами.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--