Властивості неживої природи

Перейдемо до розгляду пристрою мікросвіту, тобто елементів, з яких складається природа. Спостерігаючи, наприклад, за кристалом гірського кришталю (рисунок 1.2.1) ми відзначаємо, що він твердий, прозорий, має правильні форми. У рівноважному стані його температура і щільність однакові в усіх напрямках. Нарешті, нам здається, що речовина безперервно заповнює весь обсяг кристала, що яку б маленьку частину цього обсягу ми ні виділили, вона виявиться заповненою речовиною. Таким чи майже таким цей кристал представляється при грубому ( “макроскопічному”) спостереженні. Однак, вивчаючи його рівноважний стан за допомогою більш чутливих методів і сучасних приладів, ми виявляємо зовсім іншу картину. Експериментальні дані, якими в достатку в своєму розпорядженні сучасна фізика, наприклад, дифракційні картини, що виходять при розсіюванні рентгенівських променів кристалами, не залишають жодного сумніву в тому, що дійсність зовсім інша. Якби ми могли виділити в шматку кристалу кубики з ребром порядку 10-9 см, то вміст різних кубиків було б досить по-різному. Багато з них виявилися б порожніми.

Для уявлення про розміри атомів і молекул на малюнку 1.2.2 відтворена фотографія молекул органічної речовини Гемоціанін, отримана Вільямсом і Уайткофом за допомогою електронного мікроскопа. Масштаб дається довжиною рисочки під фотографією, відповідної 1 мікрона, тобто 0,001 мм. Таким чином, діаметр молекул Гемоціанін дорівнює порядку сотої частки мікрона.

На фотографію накладено зображення кубиків з однаковою довжиною грані. Легко помітити, що кубик А максимально наповнений молекулами, кубик В – практично порожній, а кубик Б займає проміжне положення, тобто речовина (в даному випадку – гемоцианин) розподілено нерівномірно.

Речовина не заповнює весь обсяг кристала, а утворює електрично заряджені згустки, розділені порожнім простором: позитивно заряджені ядра і в тисячі і десятки тисяч разів легші, негативно заряджені електрони. З електронів і ядер в земних умовах утворюються стійкі комбінації – електрично нейтральні атоми, де позитивний заряд ядра в точності компенсований негативними зарядами електронів.

Більш того, згідно з результатами фізичних досліджень, отриманими за останні 100 років, речовина має квантово-механічну природу. До кінця 1920 року вважалося, що існує тільки три фундаментальні частинки: електрон, протон і нейтрон, що входять до складу атомів речовини. Вирішальний крок у розвитку квантової теорії атома стався в 1925 році, коли Луї де Бройль висловив припущення, що електрону слід приписати деяку довжину хвилі. Вдумайтеся, електрон не можна ніяк “помацати”. Те, з чого складається природа, в кінцевому підсумку сприймається нами скоріше як вплив на нас одного або декількох полів. Коли Нільс Бор почув про цю гіпотезу, він вигукнув: “Ідея божевільна!” І потім, подумавши, закінчив: “Питання в тому, чи достатньо вона божевільна, щоб бути правильною?” У 1927 році хвильові властивості електрона були підтверджені експериментально. Тоді виявилося, що пучок електронів, подібно пучку світла, відчуває дифракцію, проходячи через кристал або через металеву фольгу. Інші експерименти також свідчать як про хвильових, так і про корпускулярних властивості електрона.

Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, положення електрона не піддається одночасному визначенню з абсолютною точністю. Можна вказати лише ймовірність знаходження електрона в певному положенні в будь-який момент часу. Тобто, можна сказати, що речовина не сконцентровано строго в певній точці простору, його всюди потроху. Причому десь більше і одночасно десь менше. Область найбільш ймовірного перебування електрона в електричному полі ядра атома називається орбиталью. Електрони можуть займати орбіталі різних типів, які називаються s-, p-, d-, b- і f-орбіталей (рисунок 1.2.3). Але цього мало, електрон має також властивістю спина, яке можна уявити собі як обертання його навколо власної осі.

Подібно до того, як, обертаючись навколо Сонця, Земля одночасно обертається навколо власної осі, електрони обертаються навколо ядер і одночасно крутяться навколо власної осі. Ви переконуєтеся тепер, що, вивчивши механізм роботи макросвіту, люди припустили, що також діє механізм мікросвіту, і багато в чому їх припущення підтвердилися. У всякому разі, ця аналогія дала потужний поштовх у вивченні властивостей мікросвіту. Пам’ятайте правило: як нагорі, так і внизу і навпаки?

Кристали характеризуються правильним розташуванням атомів і іонів, що утворюють в них “кристалічну решітку”. Для простоти сприйняття дамо структуру розташування атомів в кристалі кам’яної солі (NaCl) (малюнок 1.2.4). Білі кульки схематично зображують атоми Na, заштриховані – атоми Cl. Під малюнком дан масштаб в ангстремах – одиниці довжини, що дорівнює 10-8 см. Уточнимо, що положення атомів кристала, показані на малюнку, суть положення рівноваги. Насправді атоми знаходяться десь поруч. Тепловий рух зовні нерухомого кристала полягає в тому, що його атоми безперервно коливаються біля цих положень. У самих же атомах електрони обертаються (коливаються) навколо ядер так, що можна говорити про ймовірність знаходження їх в деяких точках їх орбіт.

Проводячи аналогію з природою макросвіту, в мікросвіті ми також помічаємо прояв закону ієрархічного подібності. Атом складається з безлічі електронів, в свою чергу молекула – з безлічі атомів, а речовина суть скупчення молекул.

Кристал без впливу, що обурює. Розглянемо елемент кристалу, на який не діє обурення у вигляді сили, що вимушує. Як випливає з малюнка 1.2.5, кристал являє собою сукупність атомів, які можуть коливатися біля положення рівноваги під дією квазіупругіх сил. Це означає, що коливання сусідніх атомів взаємозалежні, а через них вони вступають у взаємодію і з іншими, більш приділення атомами. Кристалічна решітка утворює, таким чином, пов’язану коливальну систему. Рух такої системи можна розглядати як суперпозицію коливань, в кожному з яких бере участь вся система. Ці коливання є ні чим іншим, як пружні стоячі хвилі. Різні коливання мають різні частоти, що перекривають величезний діапазон. Найбільш повільні з них збігаються з тими стоячими звуковими хвилями, які вивчаються в акустиці. Їх довжини хвиль того ж порядку, що і лінійні розміри тіла, їх частоти лежать в області чутних звукових частот. Потім йдуть коротші хвилі, що потрапляють в ультразвукову область. Нарешті, найбільш швидкі коливання мають частоти того ж порядку, що частоти інфрачервоного світла. Тепловий рух атомів, що утворюють кристал, є суперпозиція всіх цих пружних стоячих хвиль, причому їх амплітуди і фази випадкові.

Поки на кристал не діють впливи з боку інших тіл або полів, кристалічна решітка знаходиться у відносному спокої, внутрішня енергія кристала зводиться до кінетичної енергії поступального руху атомів (в трьох напрямках) і кінетичної енергії, що характеризує їх обертання близько положення рівноваги. Кристал володіє також потенційною енергією, обумовленої силами взаємодії між атомами кристалічної решітки. Відповідно до закону Планка, наприклад, середня енергія поступальних коливань атома тим більше, чим менше їх частота. З підвищенням температури кристала несуттєві коливання атома (якими можна було знехтувати до нагрівання) переходять в істотні. Це відбувається тим раніше, чим менше їх частота. При зниженні температури атрофуються спочатку швидкі, а потім повільні коливання атома. Багато в чому характер поведінки атома аналогічний і для обертального руху.

Насправді атом має більш складну структуру. Як показує, наприклад, вивчення оптичних спектрів, в ньому можуть зміщуватися відносно один одного ядро і електрони.

Динаміка кристала під дією що обурює. Динаміка кристала при впливі на нього періодичних збуджуючих сигналів має складний характер, що залежить від багатьох факторів. Особливу форму коливального руху являє хвильовий рух. У хвильового руху завжди є причина – джерело. Період і фаза коливання джерела хвиль і самої хвилі збігаються. Неперіодичні або негармонійні коливання збуджують також і хвилі непериодического або негармоніческого характеру.

У кристалах і інших пружних середовищах коливання, що виникли в одній точці, не можуть існувати в ній ізольовано. Завдяки силам взаємодії в коливальний рух обов’язково залучаються все нові і нові частини середовища. Стан коливального руху буде передаватися сусіднім частинам середовища з певною швидкістю, яка залежить від пружних і інерційних властивостей середовища, тобто, в кінцевому рахунку, від її модуля пружності для даного типу деформації і від її щільності. Такого роду коливальний рух в пружних середовищах називається хвильовим рухом, або просто хвилями. У всіх випадках поширення хвиль ми маємо справу завжди лише з поширенням деякого стану руху, але не з потоком рухаються часток. Саме середовище, через яку проходять хвилі, залишається в цілому нерухомою, окремі її частини роблять лише коливальні, але не поступальні рухи. Область середовища, в якій відбуваються хвильові руху, називається хвильовим полем. У поздовжніх хвилях зміщення тих, хто вагається частинок відбувається вздовж тієї ж прямої, по якій поширюється хвиля. У поперечних хвилях частинки зміщуються перпендикулярно до напрямку руху хвилі.

Стоячі хвилі виникають, коли дві поздовжні або дві поперечні хвилі з однаковою площиною поляризації, з рівними періодами і з однаковими напрямками коливань і амплітудою йдуть назустріч один одному. У рівнянні стоячій хвилі немає поняття фази. А отже, всі стоячі хвилі, що виникають під дією обурює сигналу в одній і тій же середовищі, мають нульовий фазовий зсув. Тобто вони синфазних.

Крім того, деякі кристали, до яких, наприклад, відносяться кварц, турмалін, мають пьезокрісталліческімі властивостями. Це явище проявляється в тому, що подача на кристалічну площину періодичного збудливого впливу у вигляді електричних коливань призводить на резонансних частотах кристала (коли частота збуджуючого впливу збігається з власною частотою кристалічної пластини) до появи механічних коливань поверхні пластини. І навпаки, механічний вплив у вигляді періодичного стиснення породжує змінне електромагнітне поле.

Піраміда. Уявімо собі кристалічну піраміду, зображену на малюнку 1.2.6, як суму накладених один на одного в порядку убування кристалічних пластин.
Малюнок 1.2.6. кристалічна піраміда

Подамо якимось відомим способом на піраміду сигнал змушують впливів, має складний спектр. У відповідь на такий сигнал збудяться ті верстви піраміди, власні частоти яких співпадуть з частотами коливань, складових збудливий сигнал. Виникає явище, подібне відгомін рояля. Різниця полягає лише в тому, що струни рояля не пов’язані один з одним. У кристалі за рахунок квазіупругіх сил поруч стоять шари гаситимуть частину стоячих хвиль резонуючого шару. В цьому випадку виділятися будуть поздовжні стоячі хвилі, що супроводжуються флуктуаціями щільності в шарі, що виражаються чергуванням ущільнень і розрідження.

Слід відзначити ще одну важливу для нас згодом властивість кристалічної піраміди. В силу того, що умови на кордонах кристалічних пластин, з яких складається піраміда, однакові, у всіх стоячих хвиль, що виникають в різних її шарах, фази поздовжніх стоячих хвиль однакові.

...
ПОДІЛИТИСЯ: