Реферат
з фізики
на тему:
«Тверде тіло як електрична система»
2009
Уявлення про внутрішню будову оточуючих нас тіл зазнало різкі зміни. Вже перші спостереження над здатністю тел скорочуватися при стисненні і розширюватися при нагріванні змусили підозрювати, що при всій видимій суцільності і взаємної непроникності тіла побудовані з найдрібніших неподільних частинок - атомів, зближення або видалення яких один від одного і викликає видима зміна розмірів тіла. Природно, що атомна картина одержала розвиток насамперед у застосуванні до газів, які особливо легко і сильно змінюють свій об'єм. Кінетична теорія газів в точної кількісної формі була вже розвинена у XVIII ст. Бернуллі і Ломоносовим. З тих пір гази завжди служили областю найбільш успішного застосування атомних уявлень. На газах ці уявлення оформилися в теорію, яка поступово прагнула охопити і рідке і тверде стану.
Навпаки, уявлення про суцільне заповненні простору найкраще застосувати до найбільш щільному твердому стану. І дійсно, протягом усього XIX ст. всі теорії, які прагнули пояснити властивості твердих тіл, виходили з картини суцільності. Такі теорія пружності, теорія оптичних і електричних явищ. Для спільності, знаючи, що тверде тіло може переходити в газ і виходити конденсацією газу, вони не заперечували присутності атомів і в твердих тілах, проте там вони залишилися марною гіпотезою ще 150 років після створення кінетичної теорії газів. Дюбуа-Реймон, короткозорий філософ-натураліст XIX ст., Оголосив вирішення питання про суцільності або атомної назавжди недоступним людському розуму. Енергетична школа Оствальда вважала можливим усунути саме питання про атом, користуючись одними формальними закономірностями. Нерозуміння значення атомних уявлень, довели до самогубства геніального творця атомної статистичної фізики Больцмана, в значній мірі зобов'язана того, що властивості газів перестали залучати інтерес вчених, захоплених новими перспективами термодинаміки та електродинаміки.
1906 р. - рік смерті Больцмана - був початком перемоги його ідей, перемоги, ще недавно здавалася остаточною. Справді, теорія броунова молекулярного теплового руху, створена Ейнштейном, в дослідах Перрена безпосередньо свідчила про тепловий рух атомів і визначала їх розміри. Вільсон наочно виявив шлях окремого атома гелпя, пропускаючи альфа-промені радіоактивних тіл через пересичений водяна пара, а Рамзай показав, що, зібравши ці альфа-промені, ми отримуємо відомий газ гелій. Камерлінг-Оннес перевів гелій в рідкий стан, а Кеєзом - в твердий. Цей твердий гелій складається з тих частинок, кожну з яких ми окремо могли виявити в досвіді Вільсона або ж бачити спалаху екрану від удару кожної окремої частки.
Перемога атомних уявлень перейшла навіть за межі матерії, для якої ці подання були створені. Квантова теорія Планка і атоми світла Ейнштейна перенесли атомні подання до хвильову теорію світла, у властивості ефіру і енергії. Не залишилося галузі фізики, де б не було атомів або квантів. Класичне вислів теорії суцільності: «Природа не знає стрибків» замінено його антитезою: «Все в природі безперервно».
У різкому протиріччі з цим переворотом в уявленнях залишалися колишні логічні і математичні методи, цілком пристосовані до ідеї суцільності. Ця невідповідність надовго затримало розвиток квантових уявлень.
Але якщо атоми перемогли, то ця перемога коштувала їм їх головної ознаки - цілісності, неподільності. Перемігши, атом розсипався па більш дрібні одиниці: позитивний-ве ядро і негативні електрони. Атом - це ціла система, мікрокосмос, в якому десятки електронів обертаються навколо центрального ядра, подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Застосувавши до руху електронів в атомі квантові закони, Бор створив модель атома, яка протягом 10 років служила дороговказом для всієї фізики. Незабаром р компактне ядро - це сонце атома - розсипалося на свої елементи: позитивні протони й ті ж негативні електрони. Все розмаїття тел живої природи і ще більшу різноманітність об'єктів лабораторії і техніки звелося до цих двох основних елементів, до двох електричним зарядам. Таким чином, природа виявилася наскрізь електрифікованої. У природі немає нічого, крім електрики протонів і електронів. Всі явища природи - прояв властивостей цих електричних зарядів.
Що ж таке протон і електрон? Подібно до того як раніше уявляли собі атом у вигляді пружного суцільного кульки розміром в стомільйонний частку сантиметра, так тепер електрон вважають старим, ще в десять тисяч разів меншим, а протон - навіть у десять мільйонів разів меншим, ніж колишній атом. Ця картина була крайньою межею атомних ідей. Атомна картина представляє найщільніше тіло як сукупність частинок, відокремлених один від одного пустотою. Якщо б ми захотіли уявити атом Бора, то треба було б уявити порожнечу, в якій рухаються порошинки, віддалені один від одного на відстані, в десятки тисяч разів перевищують їх власні розміри. Це картина, до якої ми звикли в зоряному світі. Тверде тіло не більше заповнено речовиною, ніж світ - зірками. Якщо зобразити атом у масштабі великого залу, то весь зміст його постане у вигляді декількох пилинок розміром в десяту частку міліметра, все інше - порожнеча. Деякі автори намагалися позбавити ці порошинки навіть їх скромних розмірів, вводячи поняття про точковому електроні як центрі сил, що не має протяжності. Якщо згадати, що й електромагнітне випромінювання, що розповсюджується в тілі, було розбито на окремо локалізовані невеликі кванти, то ми справді приходимо до картини твердого тіла як пустелі, в якій блукають самотні заряди і кванти. У першому наближенні тіло - це порожнеча; при найближчому розгляді там можна помітити й саму матерію - електричні заряди.
Хвильова механіка з нового боку підійшла до, здавалося, вже вирішенням спору між суцільністю і переривчастістю. Виявилося, що рух кожного тіла, і електрона зокрема, представляє собою хвильове явище, що охоплює всі безмежний простір. Кожен електрон як би заповнює собою весь простір. Щоправда, головна частина його зосереджена поблизу його центру і швидко слабшає в усіх напрямках, так що вже на порівняно невеликих відстанях електрон ледь проявляється, але все ж, ніде не можна вказати межі, де б електрон припинявся повністю. Електрон, який раніше був різко окресленим кулькою, тепер розплився, швидко зменшується, але ніде не кінчається. Окремі електрони проникають один в одного. Таким чином, порожнього простору, власне кажучи, ніде немає. Матерія, виходячи з численних центрів - протонів і електронів, розпливається, заповнюючи весь простір. Ця картина отримала і інше, більш відповідне квантовим поглядам тлумачення. Розпливається не самий електрон, а його локалізація. Виявити його положення в деякий математичний момент часу ми не можемо. Наші відомості про становище електрона, засновані на його взаємодії з іншими електронами, носять статистичний характер. Ми можемо сказати, що він найчастіше буває поблизу центру і все рідше і рідше зустрічається в міру віддалення від нього. Розпливчасте картина електрона, бути може, - тільки картина ймовірності його перебування в різних точках. Але всі закони нової квантової механіки побудовані так, що тільки це статистично середнє розподіл ми і можемо виявити. Чи тому, що самий електрон розмитий, або тому, що нашим спостереженням є тільки це середнє розмите розподіл електрона в різних місцях простору, це на даній стадії наших знань не так уже й важливо. Більшого про електрон ми поки все одно не знаємо.
Нова суцільна картина матерії не є заперечення попередньої атомної, вона є її подальший розвиток і в той же час синтез з теорією суцільності. І в новій картині зберігаються атоми і молекули, електрони і протони, їх число і заряди. Навіть колишні їхні розміри не втратили свого сенсу, отримавши статистичне тлумачення. Збереглися і найважливіші риси нової фізики: повна електрифікація речовини, вивчення недоступних нашим органам почуттів елементарних процесів як основи безпосередньо спостережуваних їх проявів. Цікаво, що тільки в цей період синтезу почали будуватися нові форми мислення і застосовуватися ті математичні методи, які випливають з ідеї переривчастості. І зараз ще найбільшою трудністю виявляється влити нове вино в нові хутра. Старі ще такі звичні, що тільки деякі фізики говорять і мислять мовою нових квантових уявлень. Більшість нові поняття намагається виражати за допомогою старих уявлень і примушена постійно користуватися словником для перекладу з нової мови на старий. Раніше ми говорили про обертання маленьких кулястих електронів навколо ядра по певних орбітах, тепер - про стоячих хвилях, про коливання розмитих розподілів електронів. Незважаючи на видиме відмінність цих понять, між ними існує деякий відповідність, що дозволяє часто користуватися однією мовою замість іншого. Але старим мовою можна користуватися тільки до тих пір, поки він стверджує те ж, що і новий. Там, де вони у своїх твердженнях розходяться, істина виявляється на стороні нової квантової механіки. Чим швидше ми її освоїмо, тим краще.
Ми розглянули окремі елементи матерії - атоми, молекули, протони і електрони. Якими силами вони зв'язуються в одне фізичне тіло, особливо тверде тіло? Можна розрізняти п'ять типів сил взаємодії між атомами.
1. Електростатичні сили. Кожен атом являє собою систему електричних зарядів. У нейтральному стані число електронів дорівнює числу зарядів ядра. Одні атоми легко віддають свої електрони, утворюючи позитивні іони, інші приєднують зайві електрони, перетворюючись в негативні іони. Найпростіший тип взаємодії і являє собою тяжіння протилежно заряджених іонів.
Однак і в тому випадку, якщо числа позитивних і негативних зарядів в атомі або молекулі рівні один одному, ми можемо мати електростатичні сили, коли розташування зарядів несиметрично. Тільки атоми нейтральних газів - гелію, неону, аргону і ін володіють абсолютно симетричним будовою, не створює електричного поля поза атома; всі ж інші оточені полем, що мають в одних ділянках одне, в інших - інший напрямок. Наприклад, може статися, що сукупність всіх негативних зарядів зрушена дещо в бік по відношенню до позитивних. Тоді ми маємо як би систему з двох розсунутих зарядів, звану диполем. Такі диполі притягуються одне до одного або відштовхуються в залежності від відносного розташування. Сили взаємодії убувають із збільшенням відстані між диполями ще швидше, ніж у випадку двох зарядів, - як четвертий ступінь відстані, тоді як сили між двома зарядами убувають як квадрат відстані.
Далі, можна уявити собі систему, що складається з двох протилежних диполів, кілька зсунутих відносно один одного, - це Квадрупольний. Між ними також можливо тяжіння або відштовхування, зменшується з відстанню як шоста його ступінь.
Можна йти і далі по цьому шляху, розглядаючи систему двох зсунутих протилежних квадруполів або октуполь і т. д. Ще недавно здавалося, що молекулярні сили в твердому поле можна буде цілком звести до такого роду електростатичним взаємодіям. Виявилося, однак, що їх недостатньо: доводиться враховувати і сили динамічного походження.
2. Індукційні сили. Якщо ми запитаємо себе, чому не тільки різнойменні іони, а й свідомо нейтральні атоми і молекули взаємно притягуються, незважаючи на те, що кожна з розглянутих систем (диполі, Квадрупольний або октуполі) залежно від розташування однаково часто могла б відчувати як тяжіння, так і відштовхування, то це можна буде пояснити тільки взаємним впливом атомів один на одного. Коли два нейтральних атома зближуються, то електричне поле одного атома завжди зміщує заряди в іншому гак, що однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні - наближаються, і тому вплив тяжіння останніх переважає над відштовхуванням перших. Якщо б навіть атом був симетричний, то, потрапляючи в поле іншої несиметричного атома, він втрачає свою симетрію, перетворюючись на диполь, до того ж такою диполь, який втягується в створила його полі. Це - те ж саме явище індукції, яким ми пояснюємо тяжіння легких незаряджених предметів всяким електричним зарядом, наприклад тяжіння шматочків паперу наелектризованим гребенем.
3. Ще більше значення мають сили, викликані взаємної орієнтацією атомів при їх зближенні. Якщо, наприклад, кожен з атомів має дипольним моментом, то такі атоми не тільки притягуються або відштовхуються, а й взаємно повертаються, до того ж так, що на будь-яких великих відстанях вони не були розташовані, зближуючись і повертаючись, вони завжди притягуються. Це - той тип тяжіння, який легко спостерігати між намагніченими голками. У залежності від того, повернені чи дві голки один до одного своїми різнойменними або однойменними полюсами, вони будуть притягатися або відштовхуватися, але якщо двом голкам дати можливість обертатися, вони завжди повернуться так, щоб потім притянуться.
4. Багато атоми мають дипольним моментом н надають магнітні дії. Проте за своєю величиною магнітні взаємодії між атомами дуже малі і суттєвої ролі не грають.
5. Зате виключне значення отримують динамічні молекулярні сили, зміст і значення яких лише в самий останній час з'ясований квантовою механікою. При вивченні взаємодії двох атомів нова механіка, на відміну від старої, не може розглядати кожен атом і його енергію в окремо. Обидва вони утворюють одну нероздільну систему, в якій і кожен електрон доводиться розглядати одночасно пов'язаним з обома атомами і враховувати можливість переходу електрона з тієї частини, яка раніше була одним атомом, в іншу. Ці електрони беруть участь в високочастотних коливань, і взаємодія між ними особливо посилюється у разі резонансу. Характерною рисою нової квантової механіки є також ототожнення частоти коливань з енергією електрона. Тому резонують електрони, що володіють однаковою енергією. Нарешті, третьою рисою, внесеної нової механікою, є твердження, що в одній системі не може бути двох однакових електронів. Тому якщо у двох атомах є електрони, однакові і за своєю енергією і по напрямку спінів своєї магнітної осі. то в загальній системі з цих двох атомів ці електрони вже не можуть зберегти колишніх значень характеризують їх змінних; їх енергії або направлення спінів повинні стати різними. Через це при зближенні двох атомів один або кілька електронів переходять на більш високі рівні енергії, витрачаючи роботу; отже, між ними має існувати відштовхування. В інших випадках, навпаки, перехід в одну загальну систему при зближенні атомів супроводжується зменшенням енергії і, отже, призводить до сил тяжіння.
Подібні квантові сили відіграють основну роль як при утворенні молекул, так і при всякого роду взаємодіях між ними. Поряд з ними існують і інші чотири типи сил, але з них тільки сили між іонами і лише іноді сили між диполями по своїй величині перевищують квантові. Тому всі хімічні і молекулярні явища можна розбити на два великі класи: на системи з протилежно заряджених іонів, пов'язані переважно електростатичними силами, і на системи з нейтральних елементів, в яких переважають динамічні квантові сили.
Розглянемо спочатку іонні, або полярні, системи. Електрони, що входять до складу атома, розподіляються в замкнуті групи, що оточують ядро. Найближча до ядра група містить в собі два електрони з найменшою енергією. Наступні електрони, в силу того вимоги, що в атомі не може бути двох однакових електронів, вже не знаходять собі місця в першій групі і утворюють другий замкнуту і симетричну групу, що містить 8 електронів. Далі можуть бути групи в 18 і 32 електрона.
Ті елементи, число електронів яких якраз заповнює ці замкнуті групи, є особливо стійкими, не вступають а хімічні реакції і в обмін електронами з іншими атомами. Це - нейтральні гази: елементи № 2 (гелій), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон), 86 (еманація) .* Всі ж інші атоми мають понад ці закінчених груп один, два або три зайвих електрона або ж їм не вистачає для утворення цілком закінченою групи відповідного числа електронів. Перші легко втрачають зайві електрони і залишаються зарядженими позитивно, другі приєднують відсутні їм електрони ззовні, заряджаючись негативно. Таке походження позитивних і негативних іонів. Протилежно заряджені іони притягуються одне до одного і з'єднуються попарно, утворюючи полярну молекулу. При достатньому охолодженні газ, що складається з окремих молекул, конденсується в рідину, де іони різних молекул, притягаючи один до одного, відриваються or колишніх зв'язків. Однак сильне теплове рух заважає їм розташуватися певним чином, і така іонна рідина являє собою хаотичну суміш позитивних і негативних іонів, постійно мінливих місцями.
Нарешті, при подальшому охолодженні теплове рух виявляється вже не в силах зривати іони з положень з найменшою енергією. Беручи участь в хаотичному тепловому русі, вони не видаляються помітно від цього свого положення рівноваги. Замість хаотичної суміші ми отримуємо правильно розташовану систему іонів. У тих випадках, коли іони абсолютно симетричні, легко уявити собі характер їхнього розташування. Прагнучи зблизитися під впливом електростатичних сил, іони одного знака збираються навколо іонів іншого знака, взаємно оточуючи один одного. Навколо кожного позитивного іона праворуч і ліворуч, зверху і 'знизу, спереду і ззаду розташується по негативному йону. Якщо ми простежимо розташування іонів по одному з цих напрямів, то на однакових відстанях ми виявимо чергування протилежних іонів. З таких ланцюжків, розташованих поруч один з одним, складаються площині, на зразок шахової дошки заповнені іонами, а з цих площин, нашарованих один над одним, - ціле тіло, твердий кристал. Такий, наприклад, кристал кам'яної солі, побудований з позитивних іонів натрію (атом натрію має 11 електронів, тобто дві замкнуті групи і один зайвий електрон, який легко віддається, залишаючи позитивний іон натрію) і негативних іонів хлору (№ 17, якому не вистачає одного електрона для утворення третьої замкнутої групи).
Однак таке уявлення про кристалі, як про систему геометрично правильно розташованих зарядів, є тільки схема, яка могла б бути близькою до реальної картини лише при повній відсутності теплового руху. При звичайних температурах тепловий рух, якщо і не достатньо для того, щоб зруйнувати структуру кристала, в окремих місцях все ж видаляє то один, то інший іон з положення рівноваги. Таким чином, і в твердому кристалі завжди є певна частина іонів, не закріплених і хаотично переміщаються в кристалі. Іншими словами, і в кристалі можлива дифузія і обмін місцями індивідуальних іонів.
Так як зірвані зі свого місця іони мають зарядами, то під впливом електричних сил вони будуть переважно переміщатися в той бік, куди спрямована діє на них сила. В електричному полі створюється однобічно спрямований потік зарядів, тобто електричний струм. Така природа електропровідності кристалів розглянутого іонного типу.
Вивчаючи явища електропровідності, мені дійсно вдалося знайти численні підтвердження цієї картини. Так, наприклад, в деяких кристалах можна швидким охолодженням створити щось на зразок гарту. Значне число незакріплених іонів, що були в кристалі при високій температурі, не встигає осісти на відповідних вільних місцях і залишається дисоційованому. Незважаючи на охолодження, кристал зберігає підвищену електропровідність. Якщо на допомогу тепловому додати променисту енергію (промені радію), то дисоціація, а з нею і електропровідність тимчасово підвищуються, щоб після припинення радіації поступово повернутися до нормального стану.
Явища, що спостерігаються при приміщенні кристала в електричне поле, здавалися настільки складними і несхожими на електропровідність хороших провідників - металів і рідких електролітів, що їх і не вирішувалися називати електропровідністю, а об'єднували під заголовком діелектричних аномалій. Виявилося, однак, що не тільки якісно, але і кількісно всю сукупність спостережених явищ можна було пояснити виходячи з вказаної картини частково диссоциированного іонного кристала. Все ж ускладнення порозумілися скупченням іонів одного знака всередині кристала при пропущенні крізь нього струму. Ці об'ємні заряди своїм додатковим полем спотворюють вплив зовнішньої електрорушійної сили, за можуть бути заздалегідь підраховані і враховані.
У багатьох кристалах безпосереднім хімічним аналізом вдалося показати, що електричний струм супроводжується перенесенням речовини до електродів в кількостях, точно відповідають закону Фарадея: кожен іон переносить певне ціле число зарядів. Можна було, далі, простежити переміщення кожного з двох протилежних іонів, що складають полярний кристал, і визначити ступінь дисоціації кожного з них при різних температурах. Так, наприклад, виявилося, що в кристалі кам'яної солі при кімнатних температурах є досить слабка дисоціація іонів натрію, яка швидко зростає з підвищенням температури; теплота дисоціації становить 10 000 кал / г-атом. Іони хлору дисоційований набагато слабкіше, ніж натрій при кімнатній температурі; теплота їх дисоціації становить 30000 кал. З підвищенням температури дисоціація хлору зростає значно швидше, ніж натрію, і вже при 670 ° С хлор і натрій однаково дисоційований, а при більш високих температурах хлор грає переважну роль в електропровідності солі.
Під впливом дуже коротких ультрафіолетових хвиль, рентгенових або радіоактивних променів частина іонів натрію отримує назад втрачені електрони і перетворюється на атоми натрію, що збираються потім всередині кристала в крупинки. Сіль цьому забарвлюється в жовтий або бурий колір. Якщо кристал солі в цьому стані висвітлити видимим світлом, то він знову зриває з натрію електрони, і тоді протягом усього часу освітлення ми маємо у кристалі постійно звільняються електрони, так само як і іони, здатні переносити струм. У цих умовах в кам'яній солі може існувати електронна провідність. Подібно до того, як закон Фарадея є прямим доказом іонного характеру струму, так і електронний струм може бути виявлений за відхиленням, яке він відчуває в магнітному полі (явище Холла). Це явище дійсно вдалося спостерігати П.І. Лукирський. Така ж електронна провідність відзначена в сірці, алмазі, цинкової обманці і ряді інших кристалів.
Більшість природних кристалів містить в собі домішки, які надають величезний вплив на електропровідність. Домішки, по-перше, є центрами посиленою дисоціації кристала, а, по-друге, не володіючи певним місцем в кристалічній решітці, переважно (в порівнянні з іонами самого кристала) переносять струм. Домішки іноді в тисячі і десятки тисяч разів збільшують нормальну провідність кристала. Довгий час вони являли собою одне з головних ускладнень у вивченні електричних властивостей кристалів. Нам вдалося, проте, показати, що, очистивши кристал шляхом багаторазового ретельної кристалізації, можна отримати речовину зі строго визначеними і цілком закономірними властивостями.
Крім хімічних домішок, умови росту кристала часто створюють у ньому неоднорідності, які впливають на всі його властивості. Правильна система іонів, схожу на описану вище, підтримується тільки на невеликих ділянках (порядку тисячних або навіть мільйонних часток міліметра). Весь кристал складається як би з дрібних правильно побудованих осколків, не цілком точно складених, являючи собою щось на зразок поганої мозаїки. Травлення та фарбування часто виявляють мозаїчну структуру в кристалах, за зовнішнім виглядом абсолютно однорідних. В останні роки з'явився Цілий потік статей учнів проф. Смекаля, які намагалися цієї мозаїчної структурою кристала пояснити більшість його властивостей, зокрема його електропровідність. Перевіряючи твердження і висновки цієї теорії, нам вдалося, проте, встановити повну помилковість такого пояснення електричних властивостей кристалів.
Кристали, елементами структури яких є не іони, а нейтральні групи, і при тепловому русі не відокремлюють іонів. Здебільшого струм у них викликається полярними домішками або відщепленням електронів. У той час як теорія будови і електричних властивостей полярних кристалів добре вивчена, для нейтральних або гомеополярних кристалів немає ще ні теорії, ні скільки-небудь повного досвідченого матеріалу, що дозволяє збагнути механізм електропровідності.
Угруповання атомів усередині кристала може викликатися не тільки зовнішніми причинами - домішками або зміною умов зростання. Сили взаємодії часто пов'язують великі групи атомів (іноді до мільйона) в одне ціле, яке підпадає під вплив теплового руху, електричних і магнітних сил. Явище це ми називаємо молекулярним полем в кристалі. Вперше воно було виявлено на явищі феромагнетизму заліза, кобальту та нікелю. Здатність магнітних атомів цих тіл встановлюватися під дією магнітних сил у порівняно слабких полях, незважаючи на прагнення теплового руху розкидати їх по всіх напрямках, можна було пояснити тільки припущенням, що атоми цих кристалів об'єднані у великі комплекси, здатні протистояти тепловому руху.
Надзвичайна чутливість сучасних радіоприймачів дозволяє безпосередньо спостерігати, як при намагнічуванні заліза один за іншим повертаються ці складні магнітні комплекси.
Тут молекулярне поле видно хоча б з того, що атоми заліза магнітні. Якщо ж вони є електричними, а не магнітними диполями, то вони повинні виявити в електричному полі явища, аналогічні тим, які спостерігаються в залізі в магнітному полі. Дійсно, І. В. Курчатов підтвердив існування цієї аналогії на прикладі кристалів сегнетової солі. Як феромагнітні тіла в мільйон разів більше магнітні, ніж інші речовини, так і в сегнетової солі діелектрична постійна сягає 25000 проти 2-f-10 в інших кристалах. І в цьому випадку виявлено явище насичення і ряд теплових ефектів, абсолютно аналогічних тим, які характеризують поведінку заліза в магнітному полі.
При деякій температурі, зазвичай лежить нижче температури плавлення кристала, тепловий рух руйнує молекулярне поле, розбиває комплекси і кристал позбавляється своїх виняткових властивостей. У феромагнітних тол ця температура зветься точки Кюрі; для заліза вона дорівнює 780 ° С, для нікелю вона становить 356 ° С. У сегнетової солі подібна температура сягає 24 ° С. Чудово, що зникнення комплексів в кристалі мало позначається на його структурі, але воно супроводжується поглинанням енергії.
Існування комплексів і молекулярного поля в кристалі не є результат магнітних або електричних моментів атомів. Комплекси створюються молекулярними силами і в першу чергу квантовими обмінними силами. Якщо елементи цих комплексів володіють магнітним моментом, то ми помічаємо виняткові магнітні властивості; якщо вони володіють електричними диполями, то комплекси виявляються в незвичайних діелектричних властивостях. Якщо ж атоми елементів не мають ні магнітного, ні електричного моментів, то й цих властивостей не спостерігається, а проте по ходу теплоємності в точці Кюрі можна помітити зникнення комплексів по зміні енергії кристала.
Не зупиняючись на інших властивостях кристалів, теплових і оптичних явищах, які точно так само пояснюються викладеної картиною кристала як правильно побудованої системою електричних зарядів, зібраних в атоми і комплекси, розглянемо ще питання про абсолютну величину молекулярних сил. Обмежимося іонними кристалами, де питання вирішується особливо просто; як приклад виберемо кам'яну сіль.
Рентгенівський аналіз дає точне значення відстані між іонами натрію і хлору, рівне 2.81 Х10 -8 см. Заряд цих іонів нам також точно відомий: він дорівнює 4.77 Х10 -10 абс. од. Два іона притягуються, отже, з силою, що дорівнює добутку їх зарядів, делеп-ному на квадрат відстані, тобто з силою близько 3 · 10 -4 дин. На 1 мм 2 доводиться близько 10 березня іонів, отже, сила, їх притягає, дорівнює 3 · 10 -4 Х 10 -3 = 3 · 10 Вересня діп, або 3000 кг. Цей підрахунок дуже неточний. Ми зовсім не враховували впливу па даний іон всіх інших іонів, крім того, який розташований прямо проти нього. Ми не врахували далі порушення правильності решітки, внесеного тепловим рухом. Якщо зробити ці поправки, то виявиться, що кожен шар іонів в решітці кам'яної солі притягається сусіднім шаром з силою, приблизно-рівною 200 кг на 1 мм 2 поверхні шару.
Якщо для перевірки цього підрахунку ми спробує розірвати шматок солі, то знайдемо, що він розривається при напрузі 400 Г, а не 200 кг на 1 мм 2, тобто при напрузі, в 500 разів меншим. Можна було б припустити, що ця розбіжність викликано не ошибочностью теорії, а неправильністю досвіду. При розриві солі відрив відбувається не по всьому перетину відразу, а, починаючи від маленької тріщини на поверхні, поступово поширюється через весь переріз. Ясно, що в цьому випадку для; розриву потрібно прикласти силу, у багато разів меншу, так як вона розриває в кожен даний момент не всю> площа, а тільки дуже маленький її ділянка, для розриву якого цієї сили досить. Якщо це так, фп · можна було очікувати, що, усунувши тріщини на поверхні, ми утруднить розрив. Дійсно, коли спробували розірвати зразок солі, поміщений у теплу воду, яка розчиняла його поверхню, не давай утворитися тріщинах, то виявилося, що для розриву 'знадобилося не 400 Г, а 160 кг на 1 мм 2, тобто приблизно стільки, скільки і слід було очікувати. Інший досвід, який дав такий же результат, був проведений з кулькою з солі, охолодженим у рідкому повітрі і потім раптово внесеним в розплавлений свинець. Тут на поверхні взагалі не виникає розтягувань, і тому наявні тріщини не можуть поширитися всередину. У центрі ж кулі створюється всебічне розтягнення до 70 кг на 1 мм 2, яке, однак, кристала не руйнує.
Які б не були технічні перспективи доведення механічної (і електричної) міцності і діелектричної постійної до їх теоретичної межі, самий факт такого значного розширення меж використання матеріалів досить цікавий. Оскільки експериментально виявлений і твердо встановлено факт зростання механічної міцності твердих тіл, ясно, що раніше чи пізніше він буде використаний технікою, увійде в життя.
з фізики
на тему:
«Тверде тіло як електрична система»
2009
Уявлення про внутрішню будову оточуючих нас тіл зазнало різкі зміни. Вже перші спостереження над здатністю тел скорочуватися при стисненні і розширюватися при нагріванні змусили підозрювати, що при всій видимій суцільності і взаємної непроникності тіла побудовані з найдрібніших неподільних частинок - атомів, зближення або видалення яких один від одного і викликає видима зміна розмірів тіла. Природно, що атомна картина одержала розвиток насамперед у застосуванні до газів, які особливо легко і сильно змінюють свій об'єм. Кінетична теорія газів в точної кількісної формі була вже розвинена у XVIII ст. Бернуллі і Ломоносовим. З тих пір гази завжди служили областю найбільш успішного застосування атомних уявлень. На газах ці уявлення оформилися в теорію, яка поступово прагнула охопити і рідке і тверде стану.
Навпаки, уявлення про суцільне заповненні простору найкраще застосувати до найбільш щільному твердому стану. І дійсно, протягом усього XIX ст. всі теорії, які прагнули пояснити властивості твердих тіл, виходили з картини суцільності. Такі теорія пружності, теорія оптичних і електричних явищ. Для спільності, знаючи, що тверде тіло може переходити в газ і виходити конденсацією газу, вони не заперечували присутності атомів і в твердих тілах, проте там вони залишилися марною гіпотезою ще 150 років після створення кінетичної теорії газів. Дюбуа-Реймон, короткозорий філософ-натураліст XIX ст., Оголосив вирішення питання про суцільності або атомної назавжди недоступним людському розуму. Енергетична школа Оствальда вважала можливим усунути саме питання про атом, користуючись одними формальними закономірностями. Нерозуміння значення атомних уявлень, довели до самогубства геніального творця атомної статистичної фізики Больцмана, в значній мірі зобов'язана того, що властивості газів перестали залучати інтерес вчених, захоплених новими перспективами термодинаміки та електродинаміки.
1906 р. - рік смерті Больцмана - був початком перемоги його ідей, перемоги, ще недавно здавалася остаточною. Справді, теорія броунова молекулярного теплового руху, створена Ейнштейном, в дослідах Перрена безпосередньо свідчила про тепловий рух атомів і визначала їх розміри. Вільсон наочно виявив шлях окремого атома гелпя, пропускаючи альфа-промені радіоактивних тіл через пересичений водяна пара, а Рамзай показав, що, зібравши ці альфа-промені, ми отримуємо відомий газ гелій. Камерлінг-Оннес перевів гелій в рідкий стан, а Кеєзом - в твердий. Цей твердий гелій складається з тих частинок, кожну з яких ми окремо могли виявити в досвіді Вільсона або ж бачити спалаху екрану від удару кожної окремої частки.
Перемога атомних уявлень перейшла навіть за межі матерії, для якої ці подання були створені. Квантова теорія Планка і атоми світла Ейнштейна перенесли атомні подання до хвильову теорію світла, у властивості ефіру і енергії. Не залишилося галузі фізики, де б не було атомів або квантів. Класичне вислів теорії суцільності: «Природа не знає стрибків» замінено його антитезою: «Все в природі безперервно».
У різкому протиріччі з цим переворотом в уявленнях залишалися колишні логічні і математичні методи, цілком пристосовані до ідеї суцільності. Ця невідповідність надовго затримало розвиток квантових уявлень.
Але якщо атоми перемогли, то ця перемога коштувала їм їх головної ознаки - цілісності, неподільності. Перемігши, атом розсипався па більш дрібні одиниці: позитивний-ве ядро і негативні електрони. Атом - це ціла система, мікрокосмос, в якому десятки електронів обертаються навколо центрального ядра, подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Застосувавши до руху електронів в атомі квантові закони, Бор створив модель атома, яка протягом 10 років служила дороговказом для всієї фізики. Незабаром р компактне ядро - це сонце атома - розсипалося на свої елементи: позитивні протони й ті ж негативні електрони. Все розмаїття тел живої природи і ще більшу різноманітність об'єктів лабораторії і техніки звелося до цих двох основних елементів, до двох електричним зарядам. Таким чином, природа виявилася наскрізь електрифікованої. У природі немає нічого, крім електрики протонів і електронів. Всі явища природи - прояв властивостей цих електричних зарядів.
Що ж таке протон і електрон? Подібно до того як раніше уявляли собі атом у вигляді пружного суцільного кульки розміром в стомільйонний частку сантиметра, так тепер електрон вважають старим, ще в десять тисяч разів меншим, а протон - навіть у десять мільйонів разів меншим, ніж колишній атом. Ця картина була крайньою межею атомних ідей. Атомна картина представляє найщільніше тіло як сукупність частинок, відокремлених один від одного пустотою. Якщо б ми захотіли уявити атом Бора, то треба було б уявити порожнечу, в якій рухаються порошинки, віддалені один від одного на відстані, в десятки тисяч разів перевищують їх власні розміри. Це картина, до якої ми звикли в зоряному світі. Тверде тіло не більше заповнено речовиною, ніж світ - зірками. Якщо зобразити атом у масштабі великого залу, то весь зміст його постане у вигляді декількох пилинок розміром в десяту частку міліметра, все інше - порожнеча. Деякі автори намагалися позбавити ці порошинки навіть їх скромних розмірів, вводячи поняття про точковому електроні як центрі сил, що не має протяжності. Якщо згадати, що й електромагнітне випромінювання, що розповсюджується в тілі, було розбито на окремо локалізовані невеликі кванти, то ми справді приходимо до картини твердого тіла як пустелі, в якій блукають самотні заряди і кванти. У першому наближенні тіло - це порожнеча; при найближчому розгляді там можна помітити й саму матерію - електричні заряди.
Хвильова механіка з нового боку підійшла до, здавалося, вже вирішенням спору між суцільністю і переривчастістю. Виявилося, що рух кожного тіла, і електрона зокрема, представляє собою хвильове явище, що охоплює всі безмежний простір. Кожен електрон як би заповнює собою весь простір. Щоправда, головна частина його зосереджена поблизу його центру і швидко слабшає в усіх напрямках, так що вже на порівняно невеликих відстанях електрон ледь проявляється, але все ж, ніде не можна вказати межі, де б електрон припинявся повністю. Електрон, який раніше був різко окресленим кулькою, тепер розплився, швидко зменшується, але ніде не кінчається. Окремі електрони проникають один в одного. Таким чином, порожнього простору, власне кажучи, ніде немає. Матерія, виходячи з численних центрів - протонів і електронів, розпливається, заповнюючи весь простір. Ця картина отримала і інше, більш відповідне квантовим поглядам тлумачення. Розпливається не самий електрон, а його локалізація. Виявити його положення в деякий математичний момент часу ми не можемо. Наші відомості про становище електрона, засновані на його взаємодії з іншими електронами, носять статистичний характер. Ми можемо сказати, що він найчастіше буває поблизу центру і все рідше і рідше зустрічається в міру віддалення від нього. Розпливчасте картина електрона, бути може, - тільки картина ймовірності його перебування в різних точках. Але всі закони нової квантової механіки побудовані так, що тільки це статистично середнє розподіл ми і можемо виявити. Чи тому, що самий електрон розмитий, або тому, що нашим спостереженням є тільки це середнє розмите розподіл електрона в різних місцях простору, це на даній стадії наших знань не так уже й важливо. Більшого про електрон ми поки все одно не знаємо.
Нова суцільна картина матерії не є заперечення попередньої атомної, вона є її подальший розвиток і в той же час синтез з теорією суцільності. І в новій картині зберігаються атоми і молекули, електрони і протони, їх число і заряди. Навіть колишні їхні розміри не втратили свого сенсу, отримавши статистичне тлумачення. Збереглися і найважливіші риси нової фізики: повна електрифікація речовини, вивчення недоступних нашим органам почуттів елементарних процесів як основи безпосередньо спостережуваних їх проявів. Цікаво, що тільки в цей період синтезу почали будуватися нові форми мислення і застосовуватися ті математичні методи, які випливають з ідеї переривчастості. І зараз ще найбільшою трудністю виявляється влити нове вино в нові хутра. Старі ще такі звичні, що тільки деякі фізики говорять і мислять мовою нових квантових уявлень. Більшість нові поняття намагається виражати за допомогою старих уявлень і примушена постійно користуватися словником для перекладу з нової мови на старий. Раніше ми говорили про обертання маленьких кулястих електронів навколо ядра по певних орбітах, тепер - про стоячих хвилях, про коливання розмитих розподілів електронів. Незважаючи на видиме відмінність цих понять, між ними існує деякий відповідність, що дозволяє часто користуватися однією мовою замість іншого. Але старим мовою можна користуватися тільки до тих пір, поки він стверджує те ж, що і новий. Там, де вони у своїх твердженнях розходяться, істина виявляється на стороні нової квантової механіки. Чим швидше ми її освоїмо, тим краще.
Ми розглянули окремі елементи матерії - атоми, молекули, протони і електрони. Якими силами вони зв'язуються в одне фізичне тіло, особливо тверде тіло? Можна розрізняти п'ять типів сил взаємодії між атомами.
1. Електростатичні сили. Кожен атом являє собою систему електричних зарядів. У нейтральному стані число електронів дорівнює числу зарядів ядра. Одні атоми легко віддають свої електрони, утворюючи позитивні іони, інші приєднують зайві електрони, перетворюючись в негативні іони. Найпростіший тип взаємодії і являє собою тяжіння протилежно заряджених іонів.
Однак і в тому випадку, якщо числа позитивних і негативних зарядів в атомі або молекулі рівні один одному, ми можемо мати електростатичні сили, коли розташування зарядів несиметрично. Тільки атоми нейтральних газів - гелію, неону, аргону і ін володіють абсолютно симетричним будовою, не створює електричного поля поза атома; всі ж інші оточені полем, що мають в одних ділянках одне, в інших - інший напрямок. Наприклад, може статися, що сукупність всіх негативних зарядів зрушена дещо в бік по відношенню до позитивних. Тоді ми маємо як би систему з двох розсунутих зарядів, звану диполем. Такі диполі притягуються одне до одного або відштовхуються в залежності від відносного розташування. Сили взаємодії убувають із збільшенням відстані між диполями ще швидше, ніж у випадку двох зарядів, - як четвертий ступінь відстані, тоді як сили між двома зарядами убувають як квадрат відстані.
Далі, можна уявити собі систему, що складається з двох протилежних диполів, кілька зсунутих відносно один одного, - це Квадрупольний. Між ними також можливо тяжіння або відштовхування, зменшується з відстанню як шоста його ступінь.
Можна йти і далі по цьому шляху, розглядаючи систему двох зсунутих протилежних квадруполів або октуполь і т. д. Ще недавно здавалося, що молекулярні сили в твердому поле можна буде цілком звести до такого роду електростатичним взаємодіям. Виявилося, однак, що їх недостатньо: доводиться враховувати і сили динамічного походження.
2. Індукційні сили. Якщо ми запитаємо себе, чому не тільки різнойменні іони, а й свідомо нейтральні атоми і молекули взаємно притягуються, незважаючи на те, що кожна з розглянутих систем (диполі, Квадрупольний або октуполі) залежно від розташування однаково часто могла б відчувати як тяжіння, так і відштовхування, то це можна буде пояснити тільки взаємним впливом атомів один на одного. Коли два нейтральних атома зближуються, то електричне поле одного атома завжди зміщує заряди в іншому гак, що однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні - наближаються, і тому вплив тяжіння останніх переважає над відштовхуванням перших. Якщо б навіть атом був симетричний, то, потрапляючи в поле іншої несиметричного атома, він втрачає свою симетрію, перетворюючись на диполь, до того ж такою диполь, який втягується в створила його полі. Це - те ж саме явище індукції, яким ми пояснюємо тяжіння легких незаряджених предметів всяким електричним зарядом, наприклад тяжіння шматочків паперу наелектризованим гребенем.
3. Ще більше значення мають сили, викликані взаємної орієнтацією атомів при їх зближенні. Якщо, наприклад, кожен з атомів має дипольним моментом, то такі атоми не тільки притягуються або відштовхуються, а й взаємно повертаються, до того ж так, що на будь-яких великих відстанях вони не були розташовані, зближуючись і повертаючись, вони завжди притягуються. Це - той тип тяжіння, який легко спостерігати між намагніченими голками. У залежності від того, повернені чи дві голки один до одного своїми різнойменними або однойменними полюсами, вони будуть притягатися або відштовхуватися, але якщо двом голкам дати можливість обертатися, вони завжди повернуться так, щоб потім притянуться.
4. Багато атоми мають дипольним моментом н надають магнітні дії. Проте за своєю величиною магнітні взаємодії між атомами дуже малі і суттєвої ролі не грають.
5. Зате виключне значення отримують динамічні молекулярні сили, зміст і значення яких лише в самий останній час з'ясований квантовою механікою. При вивченні взаємодії двох атомів нова механіка, на відміну від старої, не може розглядати кожен атом і його енергію в окремо. Обидва вони утворюють одну нероздільну систему, в якій і кожен електрон доводиться розглядати одночасно пов'язаним з обома атомами і враховувати можливість переходу електрона з тієї частини, яка раніше була одним атомом, в іншу. Ці електрони беруть участь в високочастотних коливань, і взаємодія між ними особливо посилюється у разі резонансу. Характерною рисою нової квантової механіки є також ототожнення частоти коливань з енергією електрона. Тому резонують електрони, що володіють однаковою енергією. Нарешті, третьою рисою, внесеної нової механікою, є твердження, що в одній системі не може бути двох однакових електронів. Тому якщо у двох атомах є електрони, однакові і за своєю енергією і по напрямку спінів своєї магнітної осі. то в загальній системі з цих двох атомів ці електрони вже не можуть зберегти колишніх значень характеризують їх змінних; їх енергії або направлення спінів повинні стати різними. Через це при зближенні двох атомів один або кілька електронів переходять на більш високі рівні енергії, витрачаючи роботу; отже, між ними має існувати відштовхування. В інших випадках, навпаки, перехід в одну загальну систему при зближенні атомів супроводжується зменшенням енергії і, отже, призводить до сил тяжіння.
Подібні квантові сили відіграють основну роль як при утворенні молекул, так і при всякого роду взаємодіях між ними. Поряд з ними існують і інші чотири типи сил, але з них тільки сили між іонами і лише іноді сили між диполями по своїй величині перевищують квантові. Тому всі хімічні і молекулярні явища можна розбити на два великі класи: на системи з протилежно заряджених іонів, пов'язані переважно електростатичними силами, і на системи з нейтральних елементів, в яких переважають динамічні квантові сили.
Розглянемо спочатку іонні, або полярні, системи. Електрони, що входять до складу атома, розподіляються в замкнуті групи, що оточують ядро. Найближча до ядра група містить в собі два електрони з найменшою енергією. Наступні електрони, в силу того вимоги, що в атомі не може бути двох однакових електронів, вже не знаходять собі місця в першій групі і утворюють другий замкнуту і симетричну групу, що містить 8 електронів. Далі можуть бути групи в 18 і 32 електрона.
Ті елементи, число електронів яких якраз заповнює ці замкнуті групи, є особливо стійкими, не вступають а хімічні реакції і в обмін електронами з іншими атомами. Це - нейтральні гази: елементи № 2 (гелій), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон), 86 (еманація) .* Всі ж інші атоми мають понад ці закінчених груп один, два або три зайвих електрона або ж їм не вистачає для утворення цілком закінченою групи відповідного числа електронів. Перші легко втрачають зайві електрони і залишаються зарядженими позитивно, другі приєднують відсутні їм електрони ззовні, заряджаючись негативно. Таке походження позитивних і негативних іонів. Протилежно заряджені іони притягуються одне до одного і з'єднуються попарно, утворюючи полярну молекулу. При достатньому охолодженні газ, що складається з окремих молекул, конденсується в рідину, де іони різних молекул, притягаючи один до одного, відриваються or колишніх зв'язків. Однак сильне теплове рух заважає їм розташуватися певним чином, і така іонна рідина являє собою хаотичну суміш позитивних і негативних іонів, постійно мінливих місцями.
Нарешті, при подальшому охолодженні теплове рух виявляється вже не в силах зривати іони з положень з найменшою енергією. Беручи участь в хаотичному тепловому русі, вони не видаляються помітно від цього свого положення рівноваги. Замість хаотичної суміші ми отримуємо правильно розташовану систему іонів. У тих випадках, коли іони абсолютно симетричні, легко уявити собі характер їхнього розташування. Прагнучи зблизитися під впливом електростатичних сил, іони одного знака збираються навколо іонів іншого знака, взаємно оточуючи один одного. Навколо кожного позитивного іона праворуч і ліворуч, зверху і 'знизу, спереду і ззаду розташується по негативному йону. Якщо ми простежимо розташування іонів по одному з цих напрямів, то на однакових відстанях ми виявимо чергування протилежних іонів. З таких ланцюжків, розташованих поруч один з одним, складаються площині, на зразок шахової дошки заповнені іонами, а з цих площин, нашарованих один над одним, - ціле тіло, твердий кристал. Такий, наприклад, кристал кам'яної солі, побудований з позитивних іонів натрію (атом натрію має 11 електронів, тобто дві замкнуті групи і один зайвий електрон, який легко віддається, залишаючи позитивний іон натрію) і негативних іонів хлору (№ 17, якому не вистачає одного електрона для утворення третьої замкнутої групи).
Однак таке уявлення про кристалі, як про систему геометрично правильно розташованих зарядів, є тільки схема, яка могла б бути близькою до реальної картини лише при повній відсутності теплового руху. При звичайних температурах тепловий рух, якщо і не достатньо для того, щоб зруйнувати структуру кристала, в окремих місцях все ж видаляє то один, то інший іон з положення рівноваги. Таким чином, і в твердому кристалі завжди є певна частина іонів, не закріплених і хаотично переміщаються в кристалі. Іншими словами, і в кристалі можлива дифузія і обмін місцями індивідуальних іонів.
Так як зірвані зі свого місця іони мають зарядами, то під впливом електричних сил вони будуть переважно переміщатися в той бік, куди спрямована діє на них сила. В електричному полі створюється однобічно спрямований потік зарядів, тобто електричний струм. Така природа електропровідності кристалів розглянутого іонного типу.
Вивчаючи явища електропровідності, мені дійсно вдалося знайти численні підтвердження цієї картини. Так, наприклад, в деяких кристалах можна швидким охолодженням створити щось на зразок гарту. Значне число незакріплених іонів, що були в кристалі при високій температурі, не встигає осісти на відповідних вільних місцях і залишається дисоційованому. Незважаючи на охолодження, кристал зберігає підвищену електропровідність. Якщо на допомогу тепловому додати променисту енергію (промені радію), то дисоціація, а з нею і електропровідність тимчасово підвищуються, щоб після припинення радіації поступово повернутися до нормального стану.
Явища, що спостерігаються при приміщенні кристала в електричне поле, здавалися настільки складними і несхожими на електропровідність хороших провідників - металів і рідких електролітів, що їх і не вирішувалися називати електропровідністю, а об'єднували під заголовком діелектричних аномалій. Виявилося, однак, що не тільки якісно, але і кількісно всю сукупність спостережених явищ можна було пояснити виходячи з вказаної картини частково диссоциированного іонного кристала. Все ж ускладнення порозумілися скупченням іонів одного знака всередині кристала при пропущенні крізь нього струму. Ці об'ємні заряди своїм додатковим полем спотворюють вплив зовнішньої електрорушійної сили, за можуть бути заздалегідь підраховані і враховані.
У багатьох кристалах безпосереднім хімічним аналізом вдалося показати, що електричний струм супроводжується перенесенням речовини до електродів в кількостях, точно відповідають закону Фарадея: кожен іон переносить певне ціле число зарядів. Можна було, далі, простежити переміщення кожного з двох протилежних іонів, що складають полярний кристал, і визначити ступінь дисоціації кожного з них при різних температурах. Так, наприклад, виявилося, що в кристалі кам'яної солі при кімнатних температурах є досить слабка дисоціація іонів натрію, яка швидко зростає з підвищенням температури; теплота дисоціації становить 10 000 кал / г-атом. Іони хлору дисоційований набагато слабкіше, ніж натрій при кімнатній температурі; теплота їх дисоціації становить 30000 кал. З підвищенням температури дисоціація хлору зростає значно швидше, ніж натрію, і вже при 670 ° С хлор і натрій однаково дисоційований, а при більш високих температурах хлор грає переважну роль в електропровідності солі.
Під впливом дуже коротких ультрафіолетових хвиль, рентгенових або радіоактивних променів частина іонів натрію отримує назад втрачені електрони і перетворюється на атоми натрію, що збираються потім всередині кристала в крупинки. Сіль цьому забарвлюється в жовтий або бурий колір. Якщо кристал солі в цьому стані висвітлити видимим світлом, то він знову зриває з натрію електрони, і тоді протягом усього часу освітлення ми маємо у кристалі постійно звільняються електрони, так само як і іони, здатні переносити струм. У цих умовах в кам'яній солі може існувати електронна провідність. Подібно до того, як закон Фарадея є прямим доказом іонного характеру струму, так і електронний струм може бути виявлений за відхиленням, яке він відчуває в магнітному полі (явище Холла). Це явище дійсно вдалося спостерігати П.І. Лукирський. Така ж електронна провідність відзначена в сірці, алмазі, цинкової обманці і ряді інших кристалів.
Більшість природних кристалів містить в собі домішки, які надають величезний вплив на електропровідність. Домішки, по-перше, є центрами посиленою дисоціації кристала, а, по-друге, не володіючи певним місцем в кристалічній решітці, переважно (в порівнянні з іонами самого кристала) переносять струм. Домішки іноді в тисячі і десятки тисяч разів збільшують нормальну провідність кристала. Довгий час вони являли собою одне з головних ускладнень у вивченні електричних властивостей кристалів. Нам вдалося, проте, показати, що, очистивши кристал шляхом багаторазового ретельної кристалізації, можна отримати речовину зі строго визначеними і цілком закономірними властивостями.
Крім хімічних домішок, умови росту кристала часто створюють у ньому неоднорідності, які впливають на всі його властивості. Правильна система іонів, схожу на описану вище, підтримується тільки на невеликих ділянках (порядку тисячних або навіть мільйонних часток міліметра). Весь кристал складається як би з дрібних правильно побудованих осколків, не цілком точно складених, являючи собою щось на зразок поганої мозаїки. Травлення та фарбування часто виявляють мозаїчну структуру в кристалах, за зовнішнім виглядом абсолютно однорідних. В останні роки з'явився Цілий потік статей учнів проф. Смекаля, які намагалися цієї мозаїчної структурою кристала пояснити більшість його властивостей, зокрема його електропровідність. Перевіряючи твердження і висновки цієї теорії, нам вдалося, проте, встановити повну помилковість такого пояснення електричних властивостей кристалів.
Кристали, елементами структури яких є не іони, а нейтральні групи, і при тепловому русі не відокремлюють іонів. Здебільшого струм у них викликається полярними домішками або відщепленням електронів. У той час як теорія будови і електричних властивостей полярних кристалів добре вивчена, для нейтральних або гомеополярних кристалів немає ще ні теорії, ні скільки-небудь повного досвідченого матеріалу, що дозволяє збагнути механізм електропровідності.
Угруповання атомів усередині кристала може викликатися не тільки зовнішніми причинами - домішками або зміною умов зростання. Сили взаємодії часто пов'язують великі групи атомів (іноді до мільйона) в одне ціле, яке підпадає під вплив теплового руху, електричних і магнітних сил. Явище це ми називаємо молекулярним полем в кристалі. Вперше воно було виявлено на явищі феромагнетизму заліза, кобальту та нікелю. Здатність магнітних атомів цих тіл встановлюватися під дією магнітних сил у порівняно слабких полях, незважаючи на прагнення теплового руху розкидати їх по всіх напрямках, можна було пояснити тільки припущенням, що атоми цих кристалів об'єднані у великі комплекси, здатні протистояти тепловому руху.
Надзвичайна чутливість сучасних радіоприймачів дозволяє безпосередньо спостерігати, як при намагнічуванні заліза один за іншим повертаються ці складні магнітні комплекси.
Тут молекулярне поле видно хоча б з того, що атоми заліза магнітні. Якщо ж вони є електричними, а не магнітними диполями, то вони повинні виявити в електричному полі явища, аналогічні тим, які спостерігаються в залізі в магнітному полі. Дійсно, І. В. Курчатов підтвердив існування цієї аналогії на прикладі кристалів сегнетової солі. Як феромагнітні тіла в мільйон разів більше магнітні, ніж інші речовини, так і в сегнетової солі діелектрична постійна сягає 25000 проти 2-f-10 в інших кристалах. І в цьому випадку виявлено явище насичення і ряд теплових ефектів, абсолютно аналогічних тим, які характеризують поведінку заліза в магнітному полі.
При деякій температурі, зазвичай лежить нижче температури плавлення кристала, тепловий рух руйнує молекулярне поле, розбиває комплекси і кристал позбавляється своїх виняткових властивостей. У феромагнітних тол ця температура зветься точки Кюрі; для заліза вона дорівнює 780 ° С, для нікелю вона становить 356 ° С. У сегнетової солі подібна температура сягає 24 ° С. Чудово, що зникнення комплексів в кристалі мало позначається на його структурі, але воно супроводжується поглинанням енергії.
Існування комплексів і молекулярного поля в кристалі не є результат магнітних або електричних моментів атомів. Комплекси створюються молекулярними силами і в першу чергу квантовими обмінними силами. Якщо елементи цих комплексів володіють магнітним моментом, то ми помічаємо виняткові магнітні властивості; якщо вони володіють електричними диполями, то комплекси виявляються в незвичайних діелектричних властивостях. Якщо ж атоми елементів не мають ні магнітного, ні електричного моментів, то й цих властивостей не спостерігається, а проте по ходу теплоємності в точці Кюрі можна помітити зникнення комплексів по зміні енергії кристала.
Не зупиняючись на інших властивостях кристалів, теплових і оптичних явищах, які точно так само пояснюються викладеної картиною кристала як правильно побудованої системою електричних зарядів, зібраних в атоми і комплекси, розглянемо ще питання про абсолютну величину молекулярних сил. Обмежимося іонними кристалами, де питання вирішується особливо просто; як приклад виберемо кам'яну сіль.
Рентгенівський аналіз дає точне значення відстані між іонами натрію і хлору, рівне 2.81 Х10 -8 см. Заряд цих іонів нам також точно відомий: він дорівнює 4.77 Х10 -10 абс. од. Два іона притягуються, отже, з силою, що дорівнює добутку їх зарядів, делеп-ному на квадрат відстані, тобто з силою близько 3 · 10 -4 дин. На 1 мм 2 доводиться близько 10 березня іонів, отже, сила, їх притягає, дорівнює 3 · 10 -4 Х 10 -3 = 3 · 10 Вересня діп, або 3000 кг. Цей підрахунок дуже неточний. Ми зовсім не враховували впливу па даний іон всіх інших іонів, крім того, який розташований прямо проти нього. Ми не врахували далі порушення правильності решітки, внесеного тепловим рухом. Якщо зробити ці поправки, то виявиться, що кожен шар іонів в решітці кам'яної солі притягається сусіднім шаром з силою, приблизно-рівною 200 кг на 1 мм 2 поверхні шару.
Якщо для перевірки цього підрахунку ми спробує розірвати шматок солі, то знайдемо, що він розривається при напрузі 400 Г, а не 200 кг на 1 мм 2, тобто при напрузі, в 500 разів меншим. Можна було б припустити, що ця розбіжність викликано не ошибочностью теорії, а неправильністю досвіду. При розриві солі відрив відбувається не по всьому перетину відразу, а, починаючи від маленької тріщини на поверхні, поступово поширюється через весь переріз. Ясно, що в цьому випадку для; розриву потрібно прикласти силу, у багато разів меншу, так як вона розриває в кожен даний момент не всю> площа, а тільки дуже маленький її ділянка, для розриву якого цієї сили досить. Якщо це так, фп · можна було очікувати, що, усунувши тріщини на поверхні, ми утруднить розрив. Дійсно, коли спробували розірвати зразок солі, поміщений у теплу воду, яка розчиняла його поверхню, не давай утворитися тріщинах, то виявилося, що для розриву 'знадобилося не 400 Г, а 160 кг на 1 мм 2, тобто приблизно стільки, скільки і слід було очікувати. Інший досвід, який дав такий же результат, був проведений з кулькою з солі, охолодженим у рідкому повітрі і потім раптово внесеним в розплавлений свинець. Тут на поверхні взагалі не виникає розтягувань, і тому наявні тріщини не можуть поширитися всередину. У центрі ж кулі створюється всебічне розтягнення до 70 кг на 1 мм 2, яке, однак, кристала не руйнує.
Які б не були технічні перспективи доведення механічної (і електричної) міцності і діелектричної постійної до їх теоретичної межі, самий факт такого значного розширення меж використання матеріалів досить цікавий. Оскільки експериментально виявлений і твердо встановлено факт зростання механічної міцності твердих тіл, ясно, що раніше чи пізніше він буде використаний технікою, увійде в життя.