Баллистическая


Неквантовая теория теплоёмкости



жүктеу 8.2 Mb.
бет76/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   99

Неквантовая теория теплоёмкости

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться

Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее…

Те, у которых тесней их взаимная сплоченность, мало

И на ничтожные лишь расстояния прядая порознь,

Сложностью самых фигур своих спутаны будучи цепко,

Мощные корни камней и тела образуют железа

Стойкого, так же, как всё подобного рода.

Прочие, в малом числе в пустоте необъятной витая,

Прядают прочь далеко и далёко назад отбегают.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н.э. [77]
Явление очень похожее на вымерзание степеней свободы обнаружилось и в твёрдых телах, кристаллах. Согласно МКТ и закону Дюлонга-Пти теплоёмкость твёрдых тел должна равняться 3R, поскольку каждый атом в твёрдом теле должен иметь энергию 3kT. Половина её приходится на энергию движения атома вдоль трёх осей, а половина – на энергию колебаний атома вдоль тех же трёх осей (Рис. 172). Опыт показал справедливость закона Дюлонга-Пти в широком интервале температур. Однако с приближением температуры к абсолютному нулю теплоёмкость твёрдых тел снижается вплоть нулевой, как от вымерзания степеней свободы (рис. 159). В рамках классической физики и МКТ это не удавалось понять. Лишь квантовая теория дала объяснение феномену. Оно было предложено Эйнштейном и уточнено Дебаем. Теория эта сложная, формальная и надуманная. Так, вместо классического максвелловского распределения молекул и атомов по скоростям вводятся распределения Ферми-Дирака, Бозе-Эйнштейна, фононы – возбуждения кристаллической решётки. Впрочем, классически истолковать этот эффект, полагали, вообще невозможно. И всё же дадим простое объяснение.

Реально повторяется ситуация с вымерзанием степеней свободы молекул газа, только в твёрдом теле при снижении температуры сковка атомов происходит в огромных масштабах. Всё больше атомов жёстко соединяются друг с другом, обретая новые связи и теряя свободу движений. При охлаждении в теле возникают всё более крупные жёсткие конгломераты из атомов – как бы гигантские жёсткие молекулы. С понижением T их становится всё меньше за счёт нарастания и слияния. А раз на каждую частицу, молекулу приходится энергия 3kT, то с уменьшением их числа полная энергия твёрдого тела и C падают. Наконец, при абсолютном нуле, когда всякое движение замирает, остаётся одна гигантская жёсткая молекула, включающая весь кристалл и имеющая энергиею 3kT. Поэтому внутренняя энергия тела уже не 3kTNa, а 3kT (Na – число атомов тела молярного объёма). Эта энергия ничтожно мала, оттого и получаем C=3k≈0, вместо обычной теплоёмкости C=3kNa=3R, поскольку k/R=1/Na<<1.

Стоит отметить, что такое объединение атомов внутри кристалла в гигантские жёсткие конгломераты, кластеры, аналогичные жёстким молекулам, имеет очень важное значение для эффекта Мёссбауэра (§ 3.7.), в котором тепловое движение атомов, имеющих даже в твёрдом теле огромные скорости нарушало стабильность частоты гамма-излучения за счёт эффекта Доплера. Но постепенно были обнаружены кристаллы, в которых при охлаждении атомы жёстко соединялись, порой образуя единый комплекс, включающий в себя весь кристалл. Весь такой комплекс обладал кинетической энергией порядка 3kT, а потому если учесть его гигантскую массу, скорость его при той же температуре была много меньше скорости одиночных атомов, получаемой за счёт ударов и вибраций от перестройки ядра в процессе гамма-излучения (§ 3.7.). Это практически исключало доплеровский сдвиг от движений атомов и давало совпадение частоты излучения и поглощения в эффекте Мёссбауэра.

Таким образом, кристаллы, оказывается, тоже характеризуются разной степенью упорядоченности: есть абсолютно жёсткие кристаллы, в которых атомы, словно детальки конструктора, прочно связаны своими формами. Их, вероятно, образуют наиболее твёрдые и плотные тела типа алмаза, сапфира, как отмечал ещё Лукреций (§ 4.14.). А есть полужёсткие, в которых атомы, хоть и расположены упорядоченно, но оказываются одиночными, связанными нежёстко, подвижно, то разрывая, то образуя связи, а потому и двигаясь много быстрей, с большей амплитудой колебаний, как догадался тот же Лукреций, изложивший идеи Демокрита о молекулярной природе теплоты и броуновского движения пылинок (§ 4.16.). Существование кристаллических тел с непрочно или жёстко связанными частицами подтверждается как раз поведением их теплоёмкости при изменении температуры. Так, у свинца, образованного слабо связанными атомами и потому легко режущегося даже ножом, теплоёмкость остаётся на уровне 3R даже при опускании температуры до 50 K, подтверждая, что его атомы не образуют жёстко связанных комплексов. Зато у алмаза и бериллия (материалов известных своей твёрдостью и прочностью за счёт жёсткой связи атомов) уже при комнатных температурах теплоёмкость гораздо ниже 3R [45, Т. 1, с. 596]. И лишь при нагреве до 1000 К теплоёмкость начинает приближаться к уровню 3R за счёт теплового разрушения жёстких связей в крупных атомных комплексах.

Итак, видим, что классическая молекулярно-кинетическая теория объясняет все особенности поведения твёрдых тел, газов, молекул, атомов и ядер. И более того, классика открывает гораздо более тонкие градации между агрегатными состояниями вещества. Слишком легко уступили учёные давлению модного квантового течения, даже не попробовав истолковать эффекты в рамках классической физики. Причина кризиса физики начала XX в. состояла не классической картине явлений, а в неудачных, неточных моделях. Большей частью эти модели страдали идеализацией, грубым упрощением. Они описывали предельный случай и не учитывали ряд атомных свойств и взаимодействий, важных при низких температурах. Если учесть все эти скрытые механизмы, все явления удастся истолковать классическими моделями. И самая удачная из них – бипирамидально-сеточная кристалло-магнитная модель атома Ритца.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет