ЗАТВЕРДЕВАНИЕ КАК СЛЕДСТВИЕ НАРАСТАНИЯ АТОМАРНЫХ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ
Возникает следующий вопрос, который является одним из основных в данной книге: какие причины, какие эффекты "скрепляют" в реальных твердых телах атомы в жесткую решетку или сетку? Если традиционные представления по этому вопросу неверны, то "на чём держится" прочность кристалла и жесткость его решётки в действительности ? Высказано следующее предположение: затвердевание обусловлено переходом атомарной системы из классической области в квантовую; чтобы получить в модели затвердевание, нужно перейти к квантовой молекулярной динамике. Уменьшение подвижности атомов при затвердевании является следствием наложения квантовых запретов, в частности, квантового "вымораживания" части степеней свободы. Статистические оценки показывают, что у кристаллов в точке плавления в среднем примерно 50% (от 10% до 90%) степеней свободы движения атомов "выморожены", то есть приходятся на нулевой квантовый уровень; для смещений и перегруппировок таких атомов требуется возбуждение, переход на более высокие квантовые уровни; в отличие от компьютерной традиционной модели, и в соответствии с опытом, требуется активация. Из таких оценок можно получить разумные значения энергий активации ЕV, ЕD, а также их температурной зависимости. "Степень квантовости" атомарной системы можно характеризовать величиной "квантового параметра" h/kT= D/T; здесь - частота, h энергия кванта колебательного движения; D - дебаевская температура. Как квантовый параметр h/kT, так и экспериментальные величины энергий активации возрастают при охлаждении в интервале затвердевания примерно пропорционально T-2 [7]. Обычно считается, что атомарные системы в области плавления являются классическими. Однако квантовый параметр h/kT=D/T кристаллических веществ в точке плавления составляет у тяжелых элементов примерно от 0,1 до 1, а у веществ, состоящих из легких элементов, от 1 до 10; нередко наблюдается также квантовое понижение теплоемкости в несколько раз по сравнению с классическим значением 3R; например, у льда при 0 оС теплоемкость понижена вдвое, С Скл/2, [9]. Следовательно, затвердевание в среднем примерно совпадает с границей квантовой и классической областей, где h/kT=1 и где заметно квантовое понижение теплоемкости. Точки плавления легких веществ отклоняются от этой границы в сторону более низких температур, а тяжелых - в сторону более высоких. Если реальное затвердевание действительно обусловлено нарастанием квантовых эффектов в атомарной системе, то катастрофическое расхождение теории (данных компьютерного моделирования) с действительностью, например, на 20 порядков величины по вязкости - это ещё одна "катастрофа классической физики", а начинающийся кризис молекулярно-кинетической теории конденсированного вещества - прямое продолжение кризиса в "большой физике" начала века. Но если в начале века выявлялись "катастрофы" по электронным свойствам и шел переход к квантовой теории электронных свойств, то сейчас речь идет о необходимости квантовой теории атомарных кинетических и механических свойств - вязкости, прочности, диффузии и др. Как теория, так и опытные данные по этим свойствам значительно менее точны, чем, например, теория и данные спектров; поэтому "катастрофы" по атомарным свойствам выявляются только сейчас. Если затвердевание есть следствие перехода атомарной системы в квантовую область, то оно подобно переходу жидкого гелия в состояние сверхтекучести. Действительно, сверхтекучесть также свидетельствует "об определенной жесткости по отношению к движению" [12], а также о том, что нарастание квантовых эффектов может привести к качественному изменению кинетических свойств системы. Определенное подобие затвердевания и перехода к сверхтекучести состоит и в том, что жидкий гелий HeI переходит в кристаллическое и в сверхтекучее состояние HeII практически при одной температуре (~1,8 К) и одинаковой "степени квантовости": если давление Р меньше 25 атм., то около 1,8 K при охлаждении наступает переход "нормальной" жидкости НеI в сверхтекучее состояние НеII; если давление Р больше 25 атм, то наступает кристаллизация [13]. В теории квантовых жидкостей и квантовых кристаллов [6] достигнуты значительные успехи. Но создание теории для переходной области (h/kT 1) и при сильном взаимодействии частиц - задача весьма трудная. Однако для решения конкретных физико-химических вопросов часто более важным оказывается выяснение таких особенностей стабилизирующих структуру эффектов, как их дальнодействие, температурная зависимость, энергия. Так, по традиционным представлениям, энергии активации Е выражают энергию связей, разрываемых или ослабляемых в элементарном акте, поэтому величины Е должны коррелировать с энергией взаимодействия Uвз и оставаться почти не зависящими от температуры, как и Uвз. В предлагаемой модели энергии активации обусловлены квантовыми эффектами, коррелируют с параметром h/kT и соответственно интенсивно зависят от температуры в интервале затвердевания: Е ~ (h/kT) ~ Т-2, что и наблюдается в действительности [7].
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ЗАТВЕРДЕВАНИЕ КАК СЛЕДСТВИЕ НАРАСТАНИЯ АТОМАРНЫХ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ» з дисципліни «Про кризу кінетичної теорії рідини і затвердіння»
