Все, что тебе нужно знать о платьях!
Проект / Авторы / Фотогалереи / Добро / Энциклопедия о России / История России / Русская литература

В каждом из нас спит гений, и с каждым днем все крепче. Новая русская мудрость


Этих книг нет в магазинах!

Недорого купить антикварные книги

Чулки и колготки из Англии

Учеба и образование в Англии

  


Яндекс.Погода

Что происходит в кристалле?

Еще полвека назад на этот вопрос можно было дать довольно простой ответ. Казалось бы, что сложного в кристалле? Взять, к примеру, металл: жестко закрепленная периодическая пространственная решетка, в ее узлах . тяжелые атомы или ионы, а вокруг невообразимое количество электронов, хаотически движущихся по кристаллу. Все свойства твердого тела (а почти все твердые тела- кристаллы) легко объяснялись этой простой картиной. Например, электрическое сопротивление металла вызвано столкновениями электронов с ионами кристаллической решетки. Нагреем металл. Ионы решетки начнут сильнее колебаться вокруг своих положений равновесия, столкновения будут происходить чаще, следовательно, сопротивление должно повыситься. Так оно и есть на самом деле.

Таким же образом можно объяснить теплопроводность и многие другие макроскопические свойства твердых тел. Однако свойства, открытые сравнительно недавно, такие, как сверхпроводимость, полупроводниковые свойства и другие, заставили физиков по-новому взглянуть на картину процессов, происходящих в твердых телах. Эти новые свойства нельзя объяснить, основываясь на законах классической механики. Пришлось обратиться к механике квантовой, которая до этого применялась в основном к изучению атомных и ядерных явлений.

Что же нового внесла квантовая механика в объяснение свойств твердого тела? И что же все-таки происходит в кристалле?

 

Раньше движение в твердом теле связывалось с движением отдельных частиц. Это могли быть электроны, ионы, атомы, даже молекулы (бывают так называемые ионные и молекулярные кристаллы). Классическая механика "разрешала" нам следить за движением каждой такой частицы. Применяя законы Ньютона, мы могли сказать, где находится выбранная нами частица в данный момент и где она будет находиться в следующий. Иными словами, мы могли узнать траекторию любой частицы. Правда, число частиц в кристалле настолько громадно, что задача проследить за тем, что происходит с каждой частицей, явно невыполнима. Но это не важно, главное . в принципе такая операция возможна.

Законы квантовой механики опрокидывают привычные представления. Основное утверждение квантовой механики заключается в том, что у частицы нет траектории, ее принципиально нельзя указать. Частица может с некоторой долей вероятности находиться в любой точке интересующего нас пространства. А значит, бессмысленно говорить об отдельной частице. Ведь если каждая из них может оказаться "где угодно", их легко перепутать. А если мы не можем "разметить" частицы и следить за каждой из них, значит, они для нас все одинаковы и тождественны.

Вот эта неразличимость частиц в кристалле и стала новой характеристикой твердых тел, которая привела к открытию многих удивительных свойств кристаллов. И ответ на вопрос, вынесенный в заголовок данного раздела, оказывается далеко не таким простым.

Попробуем все же, хотя бы в самой простой форме, нарисовать картину происходящих в кристалле процессов. Возьмем для примера снова металл. Итак, все ионы в решетке занимают совершенно одинаковое положение и имеют одинаковое окружение (рой электронов). Поэтому условия их взаимодействия со своими соседями также совершенно одинаковы. На каждую частицу действуют все остальные, и она действует на всех остальных. Словом, по принципу . один за всех и все за одного. Такое взаимодействие частиц называется коллективным.

Если вы знакомы с радиотехникой, то, наверное, знаете, что такое колебательный контур. Знаете также, что каждый контур настроен на определенную частоту в зависимости от его сопротивления, емкости, индуктивности. Вам должно быть также известно, что, если контуры настроены на одну частоту, они могут резонировать. Настраивая свой радиоприемник на передачу радиостанции "Европа Плюс", вы, собственно говоря, и ищите резонанс вашего приемника с контуром передающей радиостанции.

Так вот, частицы в нашем кристалле можно сравнить с такими колебательными контурами. Причем, как мы уже выяснили, все они имеют одинаковую "частоту", то есть могут резонировать друг с другом. Поэтому любое возбуждение одной частицы (позывные радиостанции "Европа Плюс") вызывает такое же возбуждение во всех остальных частицах (весь кристалл "слушает" одну и ту же передачу). Следовательно, если такое возбуждение возникло в каком-то месте кристалла, оно тут же побежит по всему кристаллу в виде волны. Происхождение этих волн может быть самым различным. Они могут быть упругими, электрическими, магнитными и так далее.

Но ведь каждое волновое движение в микромире, по законам все той же квантовой механики, связано с соответствующей ему "частицей". Квантовая механика утверждает, что движение наших волн не может быть непрерывным, оно прерывно, дискретно, или, как говорят физики, квантовано. Такие "порции" волнового движения . кванты движения . во многих отношениях похожи на обычные частицы. Они "почти" частицы, их так и называют . квазичастицы (квази . по-латыни "якобы", "мнимый"). Если квазичастицы рождены упругими колебаниями . это фотоны, кванты звука (вспомните кванты света . фотоны). Квазичастицы, связанные с волной электрического заряда, называют электронами проводимости, и они часто совсем не похожи на обычные электроны в металле, которые в этом случае называют свободными электронами. Магнитная волна рождает магноны. Существуют также экситоны, поляроны и так далее.

Свойства квазичастиц очень интересны и своеобразны. Оказывается, например, что они могут иметь массу, и она (но не гравитационная конечно, а та, что определяет их движение под воздействием внешних сил) может быть не только положительной, но и отрицательной, бесконечно большой и даже менять знак в различных процессах.

Квазичастицы совсем не "чувствуют" окружающей их кристаллической среды, которая их породила. Они движутся по кристаллу совершенно свободно и независимо. Длина их свободного пробега, то есть средний путь, который они проходят без столкновений, достигает колоссальных величин (конечно, в масштабе кристалла). Квазичастицы редко сталкиваются друг с другом или с дефектами кристаллической решетки, саму же решетку они, как мы уже сказали, "не чувствуют".

Такое движение квазичастиц во многом определяет свойства твердых тел. Например, направленный поток квазичастиц может переносить тепловую энергию в кристалле. Тогда их редкие столкновения . "трение" - будут определять теплопроводность кристалла. "Трение" квазичастиц, переносящих электрический заряд, определяет электрическое сопротивление кристалла. При некоторых условиях может оказаться, что движения квазичастиц в кристалле становятся согласованными. Тогда кристалл усиливает те процессы, которые отвечают за существование этих квазичастиц. На таком принципе работают, например, кристаллические квантовые генераторы . лазеры.

Все вышесказанное связано с тем или иным возбуждением кристалла. А что будет происходить в кристалле при абсолютном нуле температуры? По законам классической механики, должно прекратиться всякое движение частиц. Такое состояние называется самым низким энергетическим состоянием. Действительно, раз отсутствует движение, значит, нет и энергии, связанной с ним. Квантовая механика вводит свои поправки и в это состояние. Она запрещает состояние полного покоя частиц. Ведь если частица покоится, значит, мы знаем ее координату, чего в квантовой механике быть не может.

Таким образом, в самом низком энергетическом состоянии движение все же есть. Это особое состояние движения, физики называют его нулевым движением. При нулевом движении квазичастиц нет, они как бы отсутствуют. Характер нулевого движения во многом определяет свойства твердых тел. Например, возможно нулевое движение, при котором сам по себе переносится электрический заряд. Но поскольку квазичастицы в таком состоянии отсутствуют, значит, нет и их "трения", определяющего, как мы уже говорили, электрическое сопротивление тела. И мы приходим к явлению сверхпроводимости.

Итак, свойства различных квазичастиц, существующих и движущихся в твердом теле, и характер нулевого движения в кристалле . важнейшие характеристики кристалла. Их совокупность называется спектром твердого тела. Изучение этого спектра сейчас самый важный вопрос в физике твердого тела, которая становится в последнее время одной из значительных и интересных физических наук.
Короткая ссылка на новость: http://federacia.ru/~H7FkS


Уникальная возможность купить старинные книги недорого






















Вечерниее и коктейльные платья: выбери себе подарок!

     RSS-подписка на новости

Мы навсегда решили для вас проблему выбора подарков - посетите наш уникальный магазин антикварных книг



История России, крупные города России, русская литература, русское искусство, Конституция и законы Российской Федерации
самые свежие новости из столицы и российских городов - все это информационно-новостной портал "Федерация.Ру".
Перепечатка и цитирование материалов приветствуется при постановке активной ссылки на источник.
Контакты редакции: +7 (495) 725-89-27, info@adelanta.info