Шрифт
Source Sans Pro
Размер шрифта
18
Цвет фона
2.10. Колебания атомов в кристаллической решетке
2.10.1. Perpetuum mobile (вечный двигатель) в кристаллах
Кристалл, состоящий из n атомов, является системой с 3n колебательными степенями свободы. Открыв страницу любой энциклопедии, справочника или книги с заголовком «Колебания кристаллической решетки», Вы там найдете сложные математические выкладки, всевозможные графики и много всякого материала и про колебания атомов, и про вечное движение, и про фононы. Но! Вы не найдете ответ на главный вопрос: откуда эти колебания возникают? Кто или что эти колебания генерирует? Откуда это вечное движение?
Прежде чем ответить на поставленные вопросы о причине колебаний атомов в кристаллической решетке, немного о самом процессе колебаний.
Колебания атомов, ионов или молекул, входящих в кристалл, около положений равновесия узлов кристаллической решётки дальше в тексте будут обозначаться как колебания атомов. В физике данные колебания связывают с температурой вещества кристалла и взаимовлиянием соседних атомов друг на друга – тепловые, упругие и пр.
При повышении температуры происходит повышение частоты и амплитуды этих колебаний. В случае если амплитуда достигает некоторого критического значения, кристаллическая решетка может разрушиться, иначе произойдет плавление вещества и оно перейдет в жидкое состояние. При понижении температуры до абсолютного нуля амплитуда падает тоже практически до нуля, но незначительные колебания присутствуют (нулевая энергия колебаний).
Оказывается, законами квантовой механики полное прекращение колебаний запрещено! А мы же понимаем, что природа законопослушна, вот поэтому нулевые колебания в кристаллической решетке не прекращаются! На самом деле абсолютный нуль температуры в условиях земного тяготения не достижим, поэтому и колебания не прекращаются.
В кристалле одновременно могут присутствовать всевозможные нормальные колебания, причем каждое протекает как будто без присутствия остальных. Там могут возникать и звуковые, и оптические волны, и волны суперпозиции нормальных колебаний кристалла.
В какой-то момент могут возникать гармонические колебания, но это как исключение, в основном это ангармонические колебания. Слово плохо выговариваемое, но атомам это безразлично, у них свой язык. И этот язык до сих пор физиками не расшифрован. Может быть, атомы плохо слышат, поэтому, чтобы сделать какое-то сообщение своему соседу, пытаются приблизиться к нему и прокричать на ухо. А может, хотят получше разглядеть друг друга, но для нас все атомы на одно лицо, как аборигены в джунглях Амазонки. Так или иначе они не прекращают свои телодвижения ни днем, ни ночью, perpetuum mobile, да и только!
Колебания атомов в кристаллической решетке – один из основных видов внутренних движений в твердых телах.
Упругие волны рассматриваются в физике как распространение неких квазичастиц – фононов.
В данной работе я не касаюсь теории теплоемкости кристаллических тел (квантование колебательной энергии), предложенной Эйнштейном и впоследствии усовершенствованной Дебаем. Данная теория описана во всех учебниках по физике твердого тела.
Моя задача – показать энергию колебательных процессов в кристаллах и переноса ее в виде импульсов от атома к атому.
Прежде чем это сделать, необходимо вкратце описать сущность переноса энергии в современной физике, для этого придется разобраться с фононами.
2.10.2. Фонон
Чтобы как-то объяснить вечный танец атомов, нужна энергия, которую кто-то должен переносить, но, не зная, чем и кем энергия переносится, ученые исхитрились и придумали некую виртуальную квазичастицу и назвали ее – фонон. Наделили ее энергией и импульсом, квантом упругих колебаний, считая, что для переноса энергии эта частица вполне может подойти. После чего внутреннюю энергию кристалла можно рассматривать как суммарную энергию движущихся фононов (квазичастиц).
Фонон (phone – от греч. «звук») – квант колебаний кристаллической решетки. Термин введен И. Таммом по аналогии с фотоном, квантом электромагнитного поля.
Примечание. Как видите, частицы, не существующие в природе, но необходимые для объяснения происходящих физических процессов, «крутятся» вокруг фотона. Первой частицей является гравитон, и вот вторая квазичастица – фонон.
В «Большом толковом словаре современного русского языка» Д. Н. Ушакова читаем: quasi (лат.) – якобы, как будто. Первая часть сложных слов, имеющих значение: мнимый, ненастоящий, а в некоторых изданиях трактуется как ложный.
Я, в свою очередь, лишь констатирую, что такой частицы, как фонон с его квазиимпульсом, в природе не существует, т. е. фонон – ложный.
Приведу цитату: «Фонон во многих отношениях ведет себя так, как если бы он был частицей с энергией и импульсом. Однако в отличие от обычных частиц (электронов, протонов, фотонов и т. п.) фонон не может возникнуть в вакууме – для своего возникновения и существования фонон нуждается в некоторой среде. Подобного рода частицы называются квазичастицами. Таким образом, фонон является квазичастицей.
Импульс фонона обладает своеобразными свойствами. При взаимодействии фононов друг с другом их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке и, следовательно, не сохраняется. В связи с этим (p) в случае фононов называют не импульсом, а квазиимпульсом» [3, с. 192]..
k – волновое число, соответствующее колебанию частоты ω,
υ – скорость упругих волн в кристалле.
Сравните формулу (2.21) с импульсом фотона pp =hν/c (1.12).
Должен прокомментировать вышеприведенную цитату, так как в литературе сплошь и рядом такие высказывания повторяются.
Первое. В природе энергию и импульс переносят электромагнитные волны (фотоны), в том числе инфракрасного диапазона – крафоны (красные фотоны), которые присутствуют в любом теле (решетке) при комнатной и другой температуре. Крафоны перераспределяют тепловую энергию не только внутри какого-то тела, но между всеми телами, в том числе переносят ее в вакууме. Крафоны охлаждают всякое вещество или тело, выравнивая их температуру с окружающим пространством.
Второе. Импульс фонона якобы наделен своеобразными свойствами и может передаваться квантами кристаллической решетке. Должен сказать, что любой импульс электромагнитной волны передается квантами. Теплота квантуется, это доказано экспериментально американскими учеными [11]. Другое дело, что в любом кристалле есть замедление скорости переноса из-за сопротивления (плотности) электромагнитного эфира.
Третье. Что касается «столкновения фононов в кристалле», в интернете есть даже рисунки, показывающие упругие столкновения фононов между собой. Но позвольте, как могут столкнуться электромагнитные волны между собой? Это даже не вопрос – это непонимание физических процессов. Что касается упругого столкновения с атомами ядер, то здесь вероятность прямого попадания также невелика, если учесть, что межатомные промежутки превосходят в 100 тысяч раз размеры ядер. Попасть в такую мишень – это нужно быть превосходным снайпером, а у фононов не то что мушки, даже дула нет.
Импульсы в кристалле не передаются с помощью грубого или прямого столкновения, до этого дело не доходит. Все взаимодействия между атомами и крафонами происходят на полевом уровне.
Еще одна цитата из указанного источника: «Формально оба представления весьма схожи – и фотоны, и фононы подчиняются одной и той же статистике. Однако между фотонами и фононами имеется существенное различие: в то время как фотоны являются истинными частицами, фононы являются квазичастицами» [3, с. 192].
Что называется, почувствуйте разницу, а вся разница в названии – не иначе, как игра слов. По данному высказыванию хочу еще раз подтвердить свою мысль, что фононы – это крафоны, т. е. те же фотоны, но с меньшей энергией, поэтому никаких квазичастиц, летающих в кристаллах, с упругими столкновениями, не существует. В природе есть только электромагнитные волны (ЭМВ), при комнатной температуре – это крафоны, которые и переносят импульсы движения. Крафонам не требуется особая среда кристаллического или другого содержания, они распространяются в любой среде, материи или в вакууме, была бы энергия.
2.10.3. Крафон (красный фотон)
Ответы на вопросы, поставленные в начале раздела: атомы в кристаллах раскачивают не мнимые частицы фононы, навечно замкнутые в кристалле, а настоящие – крафоны, с настоящими импульсами.
Крафон своим импульсом воздействует на решетку атома дважды: в момент прилета и в момент отлета (см. предыдущие разделы). В случае поглощения крафона атом получает импульс смещения навстречу прилетевшему крафону. Отсюда та средняя частота колебаний атомов относительно своего среднего положения колебания – около 1013 Гц. Данная частота соответствует инфракрасной области электромагнитного излучения (краснофотонное излучение) (см. гл. 4 «Броуновское движение»). Опишем ситуацию, показанную на рисунке 2.14.
Лирическое вступление. Вы решили провести романтический вечер при свечах. Поставили свечу на стол и зажгли фитиль. Перед этим при приготовлении ужина на стол просыпалось несколько крупинок соли. Пока не приступили к ужину, на голодный желудок и светлую голову, информация воспринимается лучше и видится глубже, поэтому заглянем в кристаллическую решетку одной из крупинок соли.
Там мы увидим похожую картину, представленную на рисунке. Атомы (шарики стального цвета) в кубической решетке соли распределены симметрично по углам данной решетки. Для нас сейчас безразлично, какие это атомы – Na или Cl. Оранжевые шарики – это фантомы стальных шариков в момент, когда атомы отклоняются от своего стационарного состояния. Красные стрелки – это векторы движения крафонов. Синие векторы – это импульсы, вызывающие смещения атомов относительно своего центра.
Рис. 2.14. Колебание атомов в кристаллической решетке происходит за счет крафонов.
Свеча довольно хороший источник излучения, с температурой около 1600о С; посмотрите, как плавится вокруг парафин. Фотоны от пламени, как от Солнца, разлетаются по всем направлениям, и один из них в момент наблюдения попал в кристалл соли. При взаимодействии полей атома №1 с фотоном свечи данный атом получает импульс притяжения p1 навстречу фотону. Атом смещается влево, занимая условное положение оранжевого фантома. Поскольку фотон свечи обладает достаточной энергией, то он выдергивает из атома один или несколько электронов на более удаленные от ядра орбиты (возбуждение атома). После проделанной работы энергия фотона снижается, уменьшается частота, он краснеет (не от стыда), становится красным спутником или крафоном и продолжает движение. В момент выхода из влияния поля атома №1 крафон снова дергает атом, но уже в направлении своего движения импульсом p2. На пути дальнейшего движения крафона свечи встает атом №2. Данный атом идентичен первому, поэтому сценарий повторяется. Единственное отличие состоит в том, что, в силу потери части энергии фотона свечи, второй атом поглощает его, но в противоборстве получает импульс p3. После этого перегретый атом №2 генерирует свой красный фотон (крафон), который устремляется к атому под №5, при этом второй атом получает импульс «придачи» p4, направленный в том же направлении. Атом №5 поглощает крафон, присланный собратом, и также получает встречный импульс p5, который придает ему встречное колебание.
Кроме свечи и собратьев, атомы соли колеблют еще в большей степени крафоны земли. На рисунке 2.14 показан один из них, который дергает импульсом p6 атом №9 по вектору вниз (притяжение Земли). После поглощения данный атом испускает свой крафон, который дергает атом импульсом p7 в сторону атома №11, также получающий встречный импульс p8, заставляющий его сместиться на некоторое расстояние.
Учитывая, что крафоны планеты Земля постоянно взаимодействуют с любым телом, что создает гравитационное притяжение, колебание атомов никогда не прекратится. Вот причина подпитки энергией вечного двигателя. Вокруг любого тела огромное количество этих крафонов, что заставляет атомы постоянно вибрировать, находясь в кристаллической решетке.
Вот так работает генератор, который заставляет атомы и молекулы вечно колебаться относительно своего центра. Подобное явление в физике известно как колебание частиц в водной среде под названием «броуновское движение».
Таким же образом осуществляется и гравитационное взаимодействие между всеми материальными частицами и телами. Крафоны являются переносчиками механических импульсов между атомами в кристаллической решетке.
Гравитационные импульсы источника и приемника передаются ядрам атомов, после чего они приобретают энергию движения относительно своего центра обитания.
Не нужно изобретать и плодить виртуальные частицы типа фонон, гравитон, когда есть реальные электромагнитные волны (крафоны), которые являются переносчиками реальной энергии и импульсов.
2.10.4. Красота кристаллической решетки
Физика, когда она представлена в наглядном виде, может быть самой привлекательной наукой. Не верите?
На фотографии «Атомиум» в Бельгии, фрагмент кристаллической решетки железа, воплощенный в металле, увеличенный в 165 раз! Это самый посещаемый памятник Брюсселя и одно из самых оригинальных зданий мира.
Высота здания «Атомиум» – 102 м. Диаметр каждой из девяти сфер-атомов – 18 м. 250-тонные «шары» соединены друг с другом 20 трубами.
Рис. 2.15. Железные атомы в Брюсселе. «Атомиум» в Бельгии: как кристаллическая решетка железа стала популярнее «Писающего мальчика» [12].
Инженер-архитектор Андре Уотеркейн наглядно показал народу кубическую структуру железа. Здание-инсталляция построено в послевоенные годы и символизирует то, что будущее человечества – за физикой и, прежде всего, за ядерной энергетикой. Тема мирного атома после ужасных бомбежек Хиросимы и Нагасаки давала людям надежду, что не все так ужасно и плохо, если взглянуть на мир, находясь внутри атома.
Краткие выводы
• В природе не существует мнимых, даже квазичастиц, в природе существуют реальные переносчики импульса и энергии – это крафоны.
• Взаимодействие крафонов с атомами создает вечное колебание атомов в кристаллической решетке.
• С помощью излучения в виде крафонов нагретое физическое тело избавляется от излишней энергии.
• В условиях гравитационного притяжения Земли достичь абсолютного, полного нуля не удастся, вот поэтому колебания атомов в кристаллической решетке не прекращаются при температуре, максимально близкой к абсолютному нулю.
