РЕФЕРАТ
КРИСТАЛИ як упорядковану, АЛЕ неживих структур
2009
Введення
Підвищення температури пов'язано з більш інтенсивним рухом молекул і, відповідно, призводить до більшої невпорядкованості. Це наводить на таку думку: чи не можна добитися впорядкованості, позбавляючи систему від теплової енергії. Саме це і відбувається при охолодженні. Розглянемо кілька емпіричних фактів. Якщо заморозити воду, то вона перетвориться на лід, а точніше - утворює крижаний кристал.
Оскільки молекули води дуже і дуже малі (приблизно одна мільйонна міліметра), ми не можемо побачити їх окремо навіть за допомогою самого кращого мікроскопа, проте кристали можна "прощупати", використовуючи рентгенівське випромінювання або електронні хвилі, завдяки чому фізики і отримали настільки точну картину їх будови. Окремі молекули збудовані в кристалі стрункими рядами, "пліч-о-пліч": тут ми маємо справу з високоорганізованим твердим станом матерії. У рідкому стані окремі молекули води рухливі відносно один одного, що і забезпечує її плинність. Якщо нагріти воду до температури кипіння, вона почне випаровуватися, тобто перейде в газоподібний стан. У водяному парі молекули води постійно стикаються один з одним і змінюють внаслідок цього траєкторії свого руху, подібно безлічі крихітних тенісних м'ячів - тобто перебувають у стані повної невпорядкованості (рис.2).
Рис.1. У кристалі льоду молекули води строго впорядковані і створюють періодичну решітку, схематично зображена на цьому малюнку. Великими кулями представлені атоми кисню, а з'єднані з ними суцільними лініями маленькі кульки символізують атоми водню.
У фізиці ці різні агрегатні стани - тверде, рідке і газоподібне - називають також фазами, а переходи від одного стану до іншого, відповідно, фазовими переходами. Завдяки тому, що для виникаючих при фазових переходах станів характерні зовсім різні рівні упорядкованості (або невпорядкованості), такі переходи давно привернули до себе увагу фізиків; дослідження фазових переходів проводяться і сучасними вченими. Що ж особливого в фазових переходах?
Рис.2. Три агрегатних стани води
Як вже зрозуміло з прикладу з водою, основу кожної з трьох фаз - водяний пар, вода і крижаний кристал - складають одні і ті ж молекули. На мікроскопічному рівні ці три фази відрізняються тільки лише організацією молекул, їх розташуванням відносно один одного. У водяному парі молекули рухаються зі швидкістю близько шестисот двадцяти метрів на секунду, при цьому молекули жодним чином не впливають один на одного (за винятком випадків їх зіткнення). У рідини між молекулами існують сили взаємного тяжіння, проте молекули все ж залишаються досить рухливими. У кристалах ж окремі молекули жорстко впорядковані всередині періодичної решітки (рис.3).
З кожним із цих станів мікроскопічної організації пов'язані зовсім різні макроскопічні властивості, особливо ж наочно проявляються відмінності механічних властивостей. Наприклад, в газоподібному (або пароподібної) фазі речовина легко стискається, у той час як рідина майже нестислива, а лід і зовсім є твердим тілом. Змінюються і інші фізичні властивості - наприклад світлопроникність. Таким чином, ми бачимо, що мікроскопічні зміни можуть стати причиною появи абсолютно нових макроскопічних властивостей речовини (будь-якої речовини, а не тільки води).
Рис.3. Організація атомів в кристалі кухонної солі (NaCl). Великі кулі - іони хлору, маленькі - іони натрію.
Ще про одну властивість фазових переходів слід сказати особливо. Переходи здійснюються (за інших постійних умовах - наприклад незмінному тиску) при абсолютно певній температурі, званої критичної. Припустимо, вода закипає при 100 ° С, а замерзає при 0 ° С. (Втім, температурна шкала Цельсія навмисно влаштована таким чином, що відрізок між точкою кипіння і замерзання води дорівнює ста градусів) Інші речовини плавляться при зовсім інших температурах: скажімо, залізо - при 2081 ° С, а золото - при 1611 ° С, і випаровуються ці метали при відповідно більш високих температурах.
Надпровідність і магнетизм
Фазові переходи відбуваються не тільки з одного агрегатного стану в інше. Стрибкоподібні зміни властивостей можна спостерігати і в самих кристалах. Одним з найцікавіших в сенсі технічного застосування явищ такого роду можна вважати надпровідність. Щоб зрозуміти, що значить це "над-", слід спочатку згадати про принцип передачі електричного струму (як по лінії електропередачі, так і в побутових електроприладах). Електричний струм у металах являє собою рух найдрібніших заряджених частинок, електронів. Більшість металів утворюють кристалічну решітку, усередині якої, подібно газу, рухаються вільні електрони, постійно стикаючись з атомами гратки і втрачаючи при цьому енергію (рис.4); саме ця "втрачена" електронами енергія і переходить в невпорядковану теплову енергію атомів решітки. Таким чином, частина енергії електричного струму безперервно перетворюється на теплову енергію. Подібний ефект, природно, бажаний в електричних праски, але ніяк не в роботі ліній електропередачі: тут-то якраз було б краще доставити електричний струм споживачеві саме в тих кількостях, в яких він був зроблений на електростанції, не нагріваючи при цьому лінію. Однак втрати енергії "в дорозі", на жаль, неминучі через описані вже зіткнень електронів з атомами гратки металевого провідника - так званого електричного опору. Вже в 1911 році голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес виявив, що деякі метали (наприклад ртуть) при охолодженні до певних, дуже низьких температур, повністю втрачають опір (рис.5). Цей феномен був названий вченим надпровідністю. Воістину вражає в цьому явищі те, що опір не просто стає дуже малим - воно зникає абсолютно! Це доводять експерименти з дротом, зігнутою в кільце: струм по цьому дроті протікав більше року. Зрештою фізикам це набридло, і вони припинили експеримент, знову нагрів дріт. Теоретичних пояснень цього феномену довелося чекати понад сорок років. Сьогодні нам відомо, що в основі процесу надпровідності лежить зовсім особливий стан мікроскопічної впорядкованості: електрони проходять крізь кристалічну решітку металу попарно. Пари електронів рухаються строго впорядкування, припиняючи будь-які спроби атомів решітки пручатися своєму току. У певному сенсі це те ж саме, що колона на марші, що біжить крізь густі зарості чагарнику, тримаючись при цьому за руки; кущі більше не є перешкодою для окремих людей. І знову ми бачимо, як і у випадках з іншими фазовими переходами, що зміни порядку на мікроскопічному рівні ("попарне" рух електронів) дають абсолютно нові макроскопічні стани (струм при повній відсутності опору).
Рис.4. На цьому малюнку схематично зображено мікроскопічний ділянку кристалічної решітки. Окремі атоми металу показані великими гуртками. Внаслідок теплового руху атоми металу безперервно коливаються. Представлені маленькими чорними кружками електрони зіштовхуються з атомами гратки, що уповільнює їх рух і змінює його траєкторію, при цьому частину своєї енергії електрони віддають атомам решітки, внаслідок чого відбувається поступове нагрівання металу і одночасне послаблення електричного струму.
Рис. 5. Графік залежності електричного опору від температури. При температурі нижче критичної (тут це 4, 2 К [абсолютна температура]) електричний опір повністю відсутня; вище ж цієї позначки опір приймає деяке кінцеве значення
Чому ж надпровідники до цих пір не використовуються в лініях електропередачі? Вся біда в тому, що надпровідність стає можливою лише при наднизьких температурах (наприклад при - 260 ° С), і охолодження в таких масштабах зажадало б занадто великих грошових витрат. Однак є й інші області застосування надпровідності, і тут охолодження цілком окупається. Як відомо, електричний струм породжує магнітні поля. За допомогою надпровідності можна створювати неймовірно потужні магнітні поля, і вже сьогодні цей ефект застосовується, серед іншого, в установках для виробництва енергії за допомогою реакції термоядерного синтезу. Крихітні надпровідники використовуються в окремих елементах схем сучасних комп'ютерів, а комп'ютери наступного покоління, можливо, будуть мати в своїй основі електронний мозок, здатний працювати тільки при температурах, близьких до абсолютного нуля. Стрибкоподібне зміна фізичних властивостей спостерігається також і у феромагнетиках. Мова йде про кристалах заліза, які демонструють намагніченість при кімнатній температурі. При нагріванні ж феромагнетика до певної температури (774 ° С) намагніченість раптово зникає (Рис.6). Цікаво, що і тут зміна макроскопічних властивостей пояснюється процесами, що відбуваються на мікроскопічному рівні. Досліджуючи структуру магнітів, фізики виявили, що вони складаються з крихітних "магнітиків", якими виявилися самі атоми заліза (а точніше, їх електрони). Елементарні магніти пов'язані між собою певними силами. Однак якщо однойменні полюси звичайних, макроскопічних, магнітів відштовхуються один від одного, то елементарні магніти мають саме протилежним властивістю, і їх однойменні полюси притягуються. Інакше кажучи (і, з точки зору фізики, більш точно), елементарні магніти вибудовуються в певному порядку, зберігаючи однакову орієнтацію (рис.7). Пояснити таку незвичайну поведінку можна лише із залученням робіт Гейзенберга в галузі квантової теорії, які поведуть нас, мабуть, занадто далеко від нашої теми. Всі мікроскопічні магнітні поля сумуються і створюють те макроскопічне магнітне поле, яке кожен з нас напевно спостерігав у магнітів.
Рис.6. Залежність намагніченості феромагнетика від температури. При температурі Г вище критичної (Т с) намагніченість зникає
Рис.7. При температурі нижче критичної мікроскопічні елементарні магніти, з яких складається феромагнетик, впорядковані
Фазові переходи: від хаосу до порядку і назад
У неврегульованому стані елементарні магніти феромагнетика можуть бути розподілені по всіх можливих напрямах. Такий розподіл можна назвати симетричним: ні один з напрямків не має жодних переваг перед усіма іншими. При намагнічуванні ж феромагнетика всі елементарні магніти раптом виявляються звернені в одному і тому ж напрямку, і хоча до фазового переходу всі напрямки були рівноправними, в цей момент відбувається вибір одного певного напрямку: існувала спочатку симетрія напрямків виявляється "порушено" (рис.8).
Феромагнетики ідеально підходять для вивчення процесів, що відбуваються на мікроскопічному рівні при фазових переходах. У намагніченому, упорядкованому стані всі елементарні магніти зорієнтовані в одному напрямку, в той час як у разупорядкований фазі вони виявляються хаотично розподілені по всіх можливих напрямах. Причина виникнення цих двох абсолютно різних фаз - боротьба двох різнорідних фізичних сил. Одна з них впливає на елементарні магніти, вибудовуючи їх паралельно, в одному напрямку. Інша сила грунтується на тепловому, тобто неврегульованому, русі і прагне разупорядочіть структуру магніту, хаотично розподіливши напрямки полюсів елементарних магнітів. Тут, мабуть, можна провести аналогію з вагами: на одну чашу терезів навантажимо тепловий рух, а на іншу - сили, що упорядковують розташування елементарних магнітів. Якщо великим "вагою" має тепловий рух, то магніт виявляється в невпорядкованою фазі і на макроскопічному рівні втрачає намагніченість, оскільки припиняється сукупний вплив окремих елементарних магнітів, спрямоване назовні (рис.8). Охолодивши магнітний брусок, ми істотно "полегшимо" цю чашу ваг, і перевага отримають сили, діючі всередині магніту. Ваги тут же схиляться в інший бік, і елементарні магніти знову розташуються стрункими рядами (мал. 9).
Рис.8. Ваги символізують боротьбу між тепловим рухом і силами, що діють всередині магніту. Якщо "переважує" тепловий рух, то елементарні магніти виявляються зорієнтовані в різних напрямках
Деякі з тих понять, з якими ми познайомилися, розглядаючи фазові переходи, будуть дуже важливі для нас і надалі, коли ми будемо обговорювати в термінах синергетики протягом різних процесів, використовуючи приклади не тільки з фізики, але також із соціології та психології.
До таких понять можна віднести важлива властивість багатьох фазових переходів, яке ми можемо спостерігати неозброєним оком при кипінні рідини. Скажімо, вода при температурі нижче критичної прозора, однак при наближенні до точки кипіння вона каламутніє. Пояснюється це тим, що у закипаючої води істотно змінюється здатність до світлорозсіювання. У даному разі цю здатність послаблює те, що рух молекул води поблизу критичної точки особливо інтенсивно, а це призводить до того, що фізики називають "критичними флуктуаціями". Ілюстрацією цього поняття може стати картинка, що зображає велику групу людей у момент закінчення якого-небудь зборів. Люди починають розходитися, виникає жвавий рух, подекуди призводить до пробок, і так продовжується до тих пір, поки кожен не відправиться своєю дорогою (рис.11). Фазові переходи і сьогодні залишаються об'єктом інтенсивних фізичних досліджень. При цьому з'ясовується, що фазові переходи, незважаючи на відмінність у характері субстанцій і феноменів, все ж підпорядковуються однаковим закономірностям і супроводжуються одними і тими ж основними проявами - такими, наприклад, як критичні флуктуації або порушення симетрії. В останні роки фізикам вдалося обгрунтувати єдині закономірності фазових переходів. Припустимо, несподіване виникнення при таких переходах упорядкованих структур можна безпосередньо перенести на процеси, що відбуваються в живих організмах, - адже і тут ми маємо справу, в певному сенсі, з впорядкованими структурами. Є, проте, одне "але". У наших прикладах були розглянуті речовини, які приходили в упорядкований стан тільки при зниженні температури. Фізіологічні ж процеси при зниженні температури, навпаки, слабшають і навіть повністю припиняються, а результатом цього для багатьох живих істот стає смерть.
Рис.9. Ситуація, протилежна попередній: теплове рух виявився слабшим, і внутрішні сили впорядкували елементарні магніти.
Рис. 10. Тут зіставлені обидва випадки, представлені на рисунку 8 і 9. Зліва: елементарні магніти зорієнтовані різним чином, внаслідок чого загальна намагніченість дорівнює нулю. Праворуч: всі елементарні магніти зорієнтовані однаково, що посилює їх магнітне дію, і феромагнетик стає магнітом
Живі істоти для підтримки життя потребують постійного притоку енергії і речовин, які вони засвоюють і переробляють. Високорозвинені теплокровні істоти не тільки не підтримують теплового рівноваги з навколишнім їх середовищем - вони дуже далекі від нього. Скажімо, температура нашого тіла близько 37 ° С, а нормальною кімнатною температурою ми вважаємо температуру всього лише близько 20 ° С. Очевидно, що фізіологічні процеси повинні бути обгрунтовані в цьому випадку на якихось зовсім інших принципах, що не мають нічого спільного ні з кристалічною гратами надпровідників, ні з феромагнетиками. Може здатися, що фізики не дано внести свій внесок в пояснення природи життя.
Рис.11. Збори закінчилися, і його учасники, товплячись, спрямовуються до виходу, демонструючи при цьому значні коливання щільності свого розподілу.