Колебания атомов, силы взаимодействия между атомами и звук

Электроны и атомы: вечное движение
Электроны находятся в постоянном движении. Они непрестанно кружатся вокруг ионов в ионных кристаллах. В материалах со структурой, подобной алмазу, кажется, что электроны циркулируют вокруг каждого атома по очереди. Обходя все соответствующие атомы, электроны совершают высокоупорядоченное движение по орбитам, которые «зацепляются» подобно шестерням совершенной машины. В металлах непрекращающееся движение электронов представляется хаотическим, но на самом деле оно также является высокоупорядоченным; эта упорядоченность регулируется стремлением электронов отличаться друг от друга в своем поведении.

Системы электронов — это настоящее чудо природы. Электроны находятся в постоянном движении. Обладая очень высокими скоростями, они могут двигаться в 100 раз быстрее искусственного спутника Земли, то есть могут облететь вокруг Земли за 1 минуту, причем их движение строго упорядоченно: каждый электрон имеет свою определенную орбиту или скорость, отличающуюся от скоростей других электронов. В каждой булавочной головке находится миллиард миллиардов электронов, которые все непрестанно движутся и все ведут себя по-разному. Весьма самонадеянно со стороны человека сравнивать свои немощные попытки построить «вечный двигатель» с любой системой электронов.

Движение электронов не единственная разновидность вечного движения в кристаллах. Сами атомы непрестанно колеблются взад и вперед. Расстояние, па которое смещаются атомы, и их скорости очень малы по сравнению с расстояниями, проходимыми электронами, и скоростью их движения. Прежде всего атомы не отходят далеко от своих положений равновесия. Они смещаются, самое большее примерно на расстояния до своих ближайших соседей в кристалле, а затем движутся обратно. Это смещение ничтожно мало по сравнению с большой длиной пробега электронов в металлах. Во-вторых, за время, в течение которого атом проходит это небольшое расстояние (примерно 10″12 сек), электрон способен пройти мимо нескольких тысяч атомов. Скорости атомов кажутся, однако, малыми только по сравнению со скоростями электронов. Они достаточно велики, если оценивать их с точки зрения движения, наблюдаемого в обыденной жизни. Скорости колебательного движения атомов в кристаллах близки к скоростям молекул газа, то есть порядка нескольких сот метров в секунду.

Что заставляет атомы двигаться взад и вперед? Этот вопрос непосредственно связан с другим: почему при столкновении атомов в газе они отскакивают друг от друга в разные стороны? Ответ на оба вопроса один и тот же. Мы знаем, что в действительности атомы — это не твердые шары, которые разлетаются при упругих столкновениях; атомы состоят из ядра, окруженного облаком электронов, которые и дают такой эффект. Схематически показано столкновение двух атомов. Ядра атомов никогда не приходят в близкое соприкосновение друг с другом, ибо, как только оба электронных облака, окружающих каждое ядро, начинают «проникать друг в друга», они сами сильно искажаются, вероятно так, как показано в средней части. Это искажение является результатом действия межэлектронных сил. Эти силы двоякого рода. Во-первых, электроны отталкивают друг друга, потому что все они несут одноименные (отрицательные) заряды. Во-вторых, важным фактором является «стремление» электронов одной системы, согласно принципу Паули, находиться в различных состояниях. Два электрона в разных атомах могут иметь одинаковые орбиты, пока атомы достаточно удалены друг от друга и орбиты не перекрываются. При столкновении орбиты начинают перекрываться и оба электронных облака в месте перекрытия изменяются. Электроны обоих атомов стремятся отклониться от области перекрытия, перейти на орбиты, которые лишь касаются друг друга, не перекрываясь. Если все электроны перемещаются, то относящееся к ним атомное ядро тоже должно переместиться. В самом деле, столкновения между атомами несколько напоминают механизм столкновения моделей.

Представим себе два пластиковых шарика настольного тенниса, в центре которых укреплены с помощью маленьких пружинок свинцовые шарики. При столкновении обоих пластиковых шариков их оболочки останавливаются, придя в соприкосновение, а тяжелый свинцовый шарик, подвешенный в центре каждого шара, продолжает еще немного двигаться, пока его не остановит натяжение пружинок. Затем свинцовые шарики отходят назад на пружинах и шарики настольного тенниса тоже откатываются в разные стороны. Эта картина представляет собой до некоторой степени идеальный случай, ибо электронные облака не имеют четких границ, подобно поверхности пластикового шарика, и при столкновениях атомов неизбежно их небольшое взаимное перекрытие. Кроме того, оба электронных облака несколько искажаются, как искажалась бы оболочка пластикового шарика, будь она более податливой. Эта упрощенная картина дает, однако, наглядное представление, что ядра, в которых сосредоточена основная масса атома, никогда не подходят близко друг к другу.

При столкновении только легкие внешние электронные оболочки приходят в соприкосновение, заставляя ядра разлетаться в разные стороны.

В молекуле или в кристалле атомы, по-видимому, все время находятся в соприкосновении друг с другом. Любое перемещение одного атома немедленно вызывает появление отталкивающей силы со стороны его ближайшего соседа. Эта сила препятствует свободному перемещению атома, ограничивая его движение колебаниями около своего среднего положения. Описанную картину в известной степени воссоздает модель. Оболочки атомов на фигуре не показаны. Представим себе, что пружинки непосредственно связывают каждое ядро с соседними ядрами.

Предположим, что все атомы закреплены в занимаемых ими положениях, а атому А сообщен толчок в каком-нибудь направлении. Он будет колебаться взад и вперед сколь угодно долго. Это действительно вечное движение, но оно представляет не больше интереса, чем колебания маятника или груза, подвешенного на пружине. И тот и другой совершали бы колебания из стороны в сторону или вверх и вниз сколь угодно долго, если бы в окружающем нас мире не было трения, как и в мире атомов. Движение атомов в кристалле представляет интерес не столько тем, что оно никогда не прекращается, сколько тем, как движение одного атома заставляет двигаться соседние с ним атомы.

Атомы на самом деле не закреплены. Если атом А движется в сторону В, то атом В отталкивает его назад и сам, испытывая отталкивающую силу, движется в сторону С. Точно так же атом D потянется в направлении Лив свою очередь будет тянуть атом Е. Любое перемещение атома А заставляет немного переместиться соседние с ним атомы. Движение любого атома влияет на все другие атомы в кристалле. В результате этого взаимного влияния вечное движение атомов в кристаллах оказывается высоко упорядоченным, как и движение электронов. Однако причина заключается не в этом. Принцип запрета Паули непосредственно к атомам неприложим. Высокая степень упорядоченности взаимного движения атомов обусловливается только силами, связывающими каждый атом с соседними с ним атомами.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru