Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:19 дата обновления страницы
Вещество и энергия. Числа и фигуры
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:19
icq:
613603564
Что происходит в кристалле
Еще 10-15 лет назад на этот вопрос можно было бы дать довольно простой
ответ. Казалось бы, что сложного в кристалле? Взять, к примеру, металл:
жестко закрепленная периодическая пространственная решетка, в ее
узлах - тяжелые атомы или ионы, а вокруг невообразимое количество
электронов, хаотически движущихся по кристаллу. Все свойства твердого
тела (а почти все твердые тела - кристаллы) легко объяснялись этой
простой картиной. Например, электрическое сопротивление металла вызвано
столкновениями электронов с ионами кристаллической решетки. Нагреем
металл. Ионы решетки начнут сильнее колебаться вокруг своих положений
равновесия, столкновения будут происходить чаще, следовательно,
сопротивление должно повыситься. Так оно и есть на самом деле.
Таким же образом можно объяснить теплопроводность и многие другие
макроскопические свойства твердых тел.
Однако свойства, открытые сравнительно недавно, такие, как
сверхпроводимость, полупроводниковые свойства и др., заставили физиков
по-новому взглянуть на картину процессов, происходящих в твердых телах.
Эти новые свойства уже нельзя объяснить, основываясь на законах
классической механики. Пришлось обратиться к механике квантовой, которая
до этого применялась в основном к изучению атомных и ядерных явлений.
Что же нового внесла квантовая механика в объяснение свойств твердого
тела? Что же происходит в кристалле?
Раньше движение в твердом теле связывалось с движением отдельных частиц.
Это могли быть электроны, ионы, атомы, даже молекулы (бывают так
называемые ионные и молекулярные кристаллы). Классическая механика
<разрешала> нам следить за движением каждой такой частицы. Применяя
законы Ньютона, мы могли сказать, где находится выбранная нами частица в
данный момент и где она будет в следующий. Короче говоря, мы могли
узнать траекторию любой частицы. Правда, число частиц в кристалле
настолько громадно, что задача проследить за тем, что происходит с
каждой частицей, явно невыполнима. Но это не важно, главное - в принципе
такая операция возможна.
Законы квантовой механики опрокидывают привычные представления. Основное
утверждение квантовой механики заключается в том, что у частицы нет
траектории, ее принципиально нельзя указать. Частица может с некоторой
вероятностью находиться в любой точке интересующей нас области. А
значит, бессмысленно говорить об отдельной частице. Ведь если каждая из
них может оказаться <где угодно>, их легко перепутать. А если мы не
можем <разметить> частицы и следить за каждой из них, значит, они для
нас все одинаковы, тождественны.
Вот эта-то неразличимость частиц в кристалле и стала той новой
характеристикой твердых тел, которая привела к открытию многих
удивительных свойств кристаллов. И ответ как вопрос статьи оказывается
далеко не таким простым.
Попробуем все же, хотя бы в самой простой форме, нарисовать картину
происходящих в кристалле процессов. Возьмем для примера снова металл.
Итак, все ионы в решетке занимают совершенно одинаковое положение и
имеют одинаковое окружение (рой электронов). Поэтому условия их
взаимодействия со своими соседями также совершенно одинаковы. На каждую
частицу действуют все остальные, и она действует на всех остальных.
Словом, по принципу - один за всех и все за одного. Такое взаимодействие
частиц называется коллективным.
Если вы знакомы с радиотехникой, то, наверное, знаете, что такое
колебательный контур. Знаете также, что каждый контур настроен на
определенную частоту в зависимости от его сопротивления, емкости,
индуктивности. Вам должно быть также известно, что, если контуры
настроены на одну частоту, они могут резонировать. Настраивая свой
радиоприемник на передачу радиостанции Юность>, вы, собственно, и ищете
резонанс контура вашего приемника с контуром передающей радиостанции.
Так вот, частицы в нашем кристалле можно сравнить с такими
колебательными контурами. Причем, как мы уже выяснили, все они имеют
одинаковую <частоту>, т. е. могут резонировать друг с другом. Поэтому
любое возбуждение одной частицы (позывные радиостанции <Юность>)
вызывает такое же возбуждение во всех остальных частицах (весь кристалл
<слушает> одну и ту же передачу). Следовательно, если такое возбуждение
возникло в каком-то месте кристалла, оно тут же побежит по всему
кристаллу в виде волны. Происхождение
этих волн может быть самым различным. Они могут быть упругими (колебания
отдельных атомов кристаллической решетки), электрическими, магнитными и
т. д.
Но ведь каждое волновое движение в микромире, по законам все той же
квантовой механики, связано с соответствующей ему <частицей> (помните? -
свет это и волна и частица одновременно). Квантовая механика утверждает,
что движение наших волн не может быть непрерывным, оно прерывно,
дискретно, или, как говорят физики, квантовано. Такие <порции> волнового
движения - кванты движения - во многих отношениях похожи на обычные
частицы. Они <почти> частицы, их так и называют квазичастицы (квази -
по-латыни <якобы>, <мнимый>). Если квазичастицы рождены упругими
колебаниями - это фононы, кванты звука (вспомните кванты света -
фотоны). Квазичастицы, связанный с волной электрического заряда,
называют электронами проводимости, и они часто совсем не похожи на
обычные электроны в металле, которые в этом случае называют свободными
электронами. Магнитная волна <рождает> магноны. Существуют также
экситоны, поляроны и т. д.
Свойства квазичастиц очень интересны и своеобразны. Оказывается,
например, что они могут иметь массу, и она (но не гравитационная,
конечно, а та, которая определяет их движение под действием внешних сил)
может быть не только положительной, но и отрицательной, бесконечно
большой и даже менять знак в различных процессах.
Квазичастицы совсем не <чувствуют> окружающей их кристаллической среды,
которая их породила. Они движутся по кристаллу совершенно свободно и
независимо. Длина их свободного пробега, т. е. средний путь, который они
проходят без столкновений, достигает колоссальных величин (конечно, в
масштабе кристалла). Квазичастицы редко сталкиваются друг с другом или с
неправильностями, дефектами кристаллической решетки, саму же решетку
они, как мы уже сказали, не <чувствуют>.
Такое движение квазичастиц во многом определяет свойства твердых тел.
Например, направленный поток квазичастиц может переносить тепловую
энергию в кристалле. Тогда их редкие столкновения - <трение> -будут
определять теплопроводность кристалла. <Трение> квазичастиц, переносящих
электрический заряд, определяет электрическое сопротивление кристалла.
При некоторых условиях может оказаться, что движения квазичастиц в
кристалле становятся согласованными. Тогда кристалл усиливает те
процессы, которые отвечают за существование этих квазичастиц. На таком
принципе работают, например, кристаллические квантовые генераторы -
лазеры.
Все, что мы выше рассказали о квазичастицах, связано с тем или иным
возбуждением кристалла. А что будет происходить в кристалле при
абсолютном нуле температуры? По законам классической механики, должно
прекратиться всякое движение частиц. Такое состояние называется самым
низким энергетическим состоянием. Действительно, раз отсутствует
движение, значит, нет и энергии, связанной с ним. Квантовая механика
вводит свои поправки и в это состояние. Она запрещает состояние полного
покоя частиц. Ведь если частица покоится, значит, мы знаем ее
координату, <отметили> ее, чего в квантовой механике быть не может.
Таким образом, в самом низком энергетическом состоянии движение все же
есть. Это особое состояние движения, физики его называют нулевым
движением. При нулевом движении квазичастиц нет, они как бы отсутствуют.
Характер нулевого движения во многом определяет свойства твердых тел.
Например, возможно, оказывается, нулевое движение, при котором сам по
себе переносится электрический заряд. Но поскольку квазичастицы в таком
состоянии отсутствуют, значит, нет и их <трения>, определяющего, как мы
уже говорили, электрическое сопротивление тела. И мы приходим к явлению
сверхпроводимости.
Итак, свойства различных квазичастиц, существующих и движущихся в
твердом теле, и характер нулевого движения (часто говорят - основного
состояния) в кристалле - важнейшие характеристики кристалла. Их
совокупность называется спектром твердого тела. Изучение этого спектра
сейчас самый важный вопрос в физике твердого тела, которая становится в
последнее время одной из значительных и интересных физических наук.
И.В. Вирко
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
