Колебательное движение атомов

Энергия колебаний и теплота
Что заставляет атомы в кристалле колебаться? Каково происхождение волн, в виде которых распространяются колебания в кристалле? Эти колебания представляют собой частное проявление общего закона природы — закона вечного движения материи.

Можно объяснить детальнее отдельные случаи распространения колебаний (волн) в твердых телах. Если поместить кристалл на горячую печь или в пламя, то атомы будут колебаться значительно быстрее, чем они колебались при комнатной температуре. Если положить кристалл на кусок льда, то атомы в нем станут колебаться медленнее, чем раньше.

Механизм изменения режима колебаний атомов заключается в следующем. В пламени или в другом горячем газе молекулы движутся очень быстро. Когда они ударяются о грань кристалла, то несколько атомов кристалла в месте столкновения получают очень сильный толчок. Они в свою очередь сообщают толчок своим соседям во внутренней части кристалла, точно так же как в цепочке атомов, соединенных пружинками. Колебания распространяются в глубь кристалла в виде волны. Атомы в верхней части стенок горячей печи колеблются очень сильно.

Если поместить кристалл на горячую печь, то атомы крышки печи будут сталкиваться с ближайшими к ним атомами на поверхности кристалла, и интенсивные колебания атомов будут передаваться от нагретого тела к холодному.

Процесс передачи тепла идет, таким образом, в обоих направлениях. Если, например, атомы в кристалле колеблются очень сильно, а окружающий газ холодный, то движущиеся медленно атомы газа, ударяющиеся о поверхность кристалла, будут отскакивать от нее с большей скоростью (и, значит, энергией), чем та скорость, которую они имели при приближении к поверхности кристалла. Такая передача кинетической энергии атомов от одного материала к другому называется потоком тепла. Тепло переходит от тела с большей средней кинетической энергией атомов (о котором говорят, что оно имеет более высокую температуру) к телу с меньшей средней кинетической энергией атомов (меньшей температурой). Температура — это просто мера средней кинетической энергии молекулы в газе или атома в кристалле.

Нагретый газ — это газ с быстро двигающимися молекулами. По мере охлаждения газа средняя кинетическая энергия и скорость молекул уменьшаются.

График зависимости средней кинетической энергии молекул газа от температуры, измеренной в шкале Цельсия. Верхняя часть графика- прямая линия. Вот как просто в молекулярной физике определяется понятие температуры. Поистине замечательно, что график один и тот же для всех газов. Природа распределяет кинетическую энергию теплового движения так, что молекулы всех газов в одинаковых условиях имеют одну и ту же среднюю кинетическую энергию. Поскольку кинетическая энергия, тяжелая молекула газа типа кислорода имеет меньшую среднюю скорость, чем, скажем, легкая молекула водорода. Так как молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода, то молекула водорода должна в среднем двигаться в 4 раза быстрее молекулы кислорода.

По мере охлаждения газа прямая на фиг. 64 удлиняется и заходит все дальше в зону отрицательных температур. Но в конечном итоге она обрывается, когда газ превращается в жидкость или в твердое тело. Если все же экстраполировать ее дальше в сторону еще более низких температур, то она опустится до нулевой кинетической энергии при -273° С. Эта температура называется абсолютным нулем. Если достичь этой температуры, то все молекулы в газе перестанут двигаться. Однако все газы переходят в жидкое или твердое состояние до того, как будет достигнута эта температура, и только молекулы воображаемого идеального газа прекратили бы свое движение при -273° С. Даже гелий сжижается при -269° С, или при 4° К (абсолютная шкала температур).

В твердом теле тепловое движение атомов выглядит несколько иначе. Когда молекула газа ударяется о поверхность кристалла, от места ее столкновения с кристаллом колебания распространяются волнами в глубь кристалла. Беспорядочное движение газовых молекул превращается в множество волн, расходящихся по всему кристаллу. Если бы мы смогли увидеть какой-нибудь один атом в кристалле, то нам показалось бы, что он движется беспорядочным образом. Если бы на него действовала только одна волна, то движение казалось бы строго упорядоченным. В действительности очень много волн одновременно сообщают атому толчок в разных направлениях. Каждая отдельная волна заставляет атом двигаться с иной скоростью и, возможно, в ином направлении, чем другие волны. Средняя скорость атома — результат действия бессчетного числа волн, приводящих его в движение. Кажется, что атом беспорядочно мечется в разные стороны.

Причины движения атомов при абсолютном нуле температуры
Чему равна кинетическая энергия такого колеблющегося атома? Здесь природа тоже «действует методично», сталкиваясь с таким обилием беспорядочного движения. Средняя кинетическая энергия атомов в кристалле такая же, как средняя кинетическая энергия молекул, ударяющихся о поверхность кристалла. Хотя движение атомов в кристалле ограничено колебаниями взад и вперед, а также вверх и вниз, их кинетическая энергия в среднем, такая оке, как кинетическая энергия молекул газа, ударяющихся о поверхность кристалла.

Когда газ сжижается, а затем замерзает, превращаясь в кристаллическое тело, атомы по-прежнему обладают кинетической энергией механических колебаний, которую они имели бы, если бы газ не был сконденсирован. Энергия движения атомов зависит только от температуры кристалла. Поэтому, если кристалл находится в холодном состоянии, атомы колеблются все слабее и слабее, находясь в прямой пропорции убывающей температуре. Может быть, в таком случае удастся остановить это вечное колебательное движение охлаждением кристалла до абсолютного нуля? Но нет, природа не так проста. Движение не прекратится и в этом случае. При охлаждении твердого тела кинетическая энергия уменьшается не так, как можно было бы ожидать, изучая тепловое движение атомов газов. Для кристаллов график зависимости кинетической энергии от температуры имеет вид кривой. У всех твердых тел наблюдается отступление от простого закона прямой линии. Все кристаллы сохраняют некоторое количество кинетической энергии даже при абсолютном нуле температуры. Твердые материалы типа алмаза сохраняют большее количество энергии, чем мягкие, вроде свинца.

Простой способ объяснить причину этого остаточного движения атомов при абсолютном нуле температуры предложить трудно. Сохранение движения атомов является следствием волновой природы материи, и, подобно многим другим волновым явлениям, его нелегко понять, не изучив подробно. Движение при абсолютном нуле, однако, вполне реально и может быть обнаружено во многих экспериментах. Это колебательное движение атомов поистине вечно. Даже охлаждение до абсолютного нуля не может привести к прекращению движения атомов.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru