Архив рубрики «Физика»

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.
Прочитать остальную часть записи »

График зависимости скорости волны от частоты

Можно показать, что колебания с частотами могут распространяться вдоль цепочки в виде волн. Они затухают, как затухали колебания с частотами выше критической в простой цепочке из легких атомов.

Массы обоих сортов атомов движутся: неподвижная точка — это некоторая точка пружинки между каждой парой атомов разных сортов. Колебания с частотами распространяются в кристалле в виде волн.
Прочитать остальную часть записи »

Нулевая скорость волны

Нулевая скорость волны означает, однако, нечто большее, чем то, что волны «не знают», в каком направлении они движутся, из-за многократного отражения. Для волны, в виде которой распространяются колебания в кристалле, это значит также, что соседние атомы движутся всегда в противоположных направлениях. Очевидно, что в этом случае нет бегущей волны, распространяющейся по кристаллу, но каждый второй атом совершает одинаковые движения без всякого запаздывания. Все атомы колеблются одновременно (хотя два соседних атома движутся навстречу друг другу), и спрашивать, в каком направлении распространяется волна, бессмысленно.
Прочитать остальную часть записи »

Звуковые волны — упорядоченные колебания атомов

Насколько упорядоченным является движение атомов в кристалле? Показан простейший случай, который дает возможность легко понять, как происходит упорядочение этого колебательного движения. Это воображаемый одномерный кристалл, состоящий из одного ряда атомов с массами т, связанных между собой пружинками с жесткостями s.
Прочитать остальную часть записи »

Упругость и колебания

Существует простой способ оценить величину сил, заставляющих атомы колебаться. Если бы эти силы создавались крошечными пружинками, то достаточно было бы растянуть пружинки и измерить силу их натяжения. Несомненно, что нет способа прикрепить крючки к двум атомам Л и В, растянуть их в разные стороны и измерить силу, воздействующую на атомы и расстояние, на которое они разошлись. Но если прикрепить крючок к миллионам маленьких пружинок одновременно, то сила будет достаточно велика, чтобы ее можно было измерить.
Прочитать остальную часть записи »

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.
Прочитать остальную часть записи »

Структура алмаза

Алмаз — тоже изолирующий кристалл. Мы говорили ранее, что электроны в алмазах движутся по всему кристаллу и не связаны с каким-нибудь определенным атомом, как в других изоляторах. Могут ли эти электроны, перемещаясь по кристаллу, быть носителями электрического тока? Оказывается, не могут. Несомненно, движущиеся электроны представляют собой ток. Но каждая связь в алмазе содержит два электрона, которые одновременно приходят и уходят, двигаясь в противоположных направлениях. Таким образом, все токи полностью компенсируют, «гасят» друг друга. Если мы поместим алмаз в электрическое поле, которое стремится перемещать электроны вправо, как мы делали при рассмотрении поведения электронов в металле, то поле почти не будет оказывать влияния на электроны в алмазе. Электроны хотели бы двигаться вправо, как в металле, но ни один электрон в каждой связи не может переместиться вправо, если часть электронов не переместится влево.
Прочитать остальную часть записи »

Электропроводность, металлы: препятствия в «электронной жидкости»

Поведение электрона представляется весьма странным. На электрон действует постоянная сила, отклоняющая его вправо, и, тем не менее, электрону требуется столько же времени, чтобы продвинуться вправо, сколько и влево: его движение не направлено в какую-нибудь одну сторону. Казалось бы, при этом легко получить переменный ток от аккумуляторной батареи! Но это не таи! Мы рассмотрели идеальный случай. Он так же далек от действительности, как представление о механической машине, не имеющей потерь на трение. Поток электронов в кристалле тоже встречает своего рода трение в виде рассеяния электронов при столкновении с каким-либо препятствием на их пути.
Прочитать остальную часть записи »

Критическая скорость электрона

Что происходит, если электрон первоначально обладает скоростью, немного превышающей критическую? Этот случай не отличается в принципе от предыдущего, но условие отражения электрона оказывается более сложным. Электрон с такой скоростью тоже будет колебаться взад и вперед.
Прочитать остальную часть записи »

Кинетическая энергия электрона

Что получится, если стараться вводить в наш куб электроны с наименьшей возможной энергией, как мы делали в случае трубки?

Заметим, что уравнение сферы радиусом v с центром в начале координат пространства скоростей. Оно означает, что если провести в пространстве скоростей сферу радиусом v с центром в начале координат, то все точки внутри этой сферы будут соответствовать скоростям определенных электронов, кинетическая энергия которых меньше, а все точки за пределами сферы — электронам с энергией больше. Таким образом, сообщая каждому электрону свою особую скорость и наименьшую возможную энергию, природа будет использовать точки пространства скоростей, образующие сферу возрастающего радиуса. Если учесть все множество электронов в нашем кубе из металла с ребром 7 см, то концы стрелок, изображающих скорости, заполнят все точки пространства скоростей вплоть до поверхности некоторой очень большой сферы, но не за ее пределами.
Прочитать остальную часть записи »

Скорости электронов

Скорости всех электронов отличались бы друг от друга, образуя ряд значений: -500 см/сек, -499, -498, +499, +500 см/сек. (Если бы один электрон в нашей трубке находился в состоянии покоя, то всего, таким образом, был бы 1001 электрон.)

Предположим теперь, что мы хотим ввести в трубку еще один электрон. Физический принцип «неодинаковости» говорит, что это невозможно, если только электрон не обладает скоростью 501 см/сек или больше. Если бы мы поместили в трубку один дополнительный электрон со скоростью 550 см/сек, то каждый раз при каком-нибудь соударении он смог бы (и, вероятно, стал бы) терять часть энергии, пока его скорость не уменьшилась бы до 501 см/сек. Электрон не сможет дальше терять энергию, ибо тогда он станет «таким же», как какой-нибудь другой электрон. Этого никогда не происходит.
Прочитать остальную часть записи »

Отличия электронов в атомах

Стремление каждого электрона отличаться от всех других заставляет эти частицы вести себя весьма интересным образом. Поведение электрона можно сравнить с поведением модниц, тратящих массу времени и сил на поиски единственных в своем роде туалетов. Если, например, две такие модницы случайно окажутся где-нибудь в одинаковых шляпках, то они ни за что не пойдут по улице рядом. Одна из них либо постарается уйти вперед, ускорив шаг, либо свернет с пути и пойдет по противоположной стороне или даже по другой улице. Точно так же обстоит дело с электронами. Они перестраивают свои «орбиты» и траектории так, чтобы отличаться друг от друга.
Прочитать остальную часть записи »

Электроны в металлах

Электронная жидкость

Какие силы удерживают атомы в металле? В химических соединениях и в кристаллах, подобных хлористому натрию, атом металла отдает электрон атому другого вещества, который стремится его приобрести. Но куда могут переходить электроны, когда все атомы — это атомы металла?
Прочитать остальную часть записи »

Волны в активных средах

Волны в активных средах (автоволны) обладают многими замечательными свойствами, например не отражаются и не интерферируют. Их характеристики, в отличие, скажем, от гонимых ветром волн на воде, определяются только свойствами самой среды. Скорость автоволн в однородной среде постоянна. Поэтому, обходя какое-либо препятствие, волна начинает изгибаться, так как далекие от препятствия участки фронта волны проходят более длинный путь и отстают.
Прочитать остальную часть записи »

Электроны в ионных и молекулярных кристаллах

В ионных и молекулярных кристаллах каждый электрон принадлежит определенному иону или молекуле и находится около них. В алмазе электроны свободно странствуют по всему кристаллу. (Формально область перемещения электронов ограничена одной молекулой, но в таком случае одна молекула — это весь кристалл, и едва ли можно говорить о пределах их перемещения!) Что представляет собой путь одного электрона?
Прочитать остальную часть записи »

Движение электронов ионов натрия и ионов хлора

В кристаллическом азоте электроны ведут себя почти так же, как в свободной молекуле азота. В кристаллах NaCl электроны движутся вокруг ионов натрия и ионов хлора приблизительно по тем же орбитам, по которым они двигались бы, если ионы Na+ и С1 были бы совершенно изолированы. В кристаллах углерода дело обстоит совсем по-другому.
Прочитать остальную часть записи »

Кристаллы типа алмаза

Теперь рассмотрим, насколько сильно связаны электроны в молекуле. Если электроны сгруппированы в замкнутые оболочки, как в атомах редких газов, то они не обобществляются атомами и молекулами и силы, обеспечивающие устойчивость молекулярной структуры, возникают только в результате слабой поляризации молекул.
Прочитать остальную часть записи »

Диэлектрик при повышении давления

Чего не мог предвидеть Альфред Нобель: основатель Нобелевских премий исключил математиков из числа претендентов на эту научную награду. Но математическое моделирование развертывается все шире, захватывая сферы исследований, до недавнего времени не доступные математике. В последние годы ряд Нобелевских премий по химии, медицине, экономике, физике элементарных частиц присужден работам, методологическую основу которых составляет математическое моделирование.
Прочитать остальную часть записи »

Отличия между различного рода притяжениями

В случае, когда левый атом по отношению к атому справа оказывается слегка отрицательно заряженным и наоборот. Эти два очень небольших заряда разных знаков притягиваются один к другому. Мгновение спустя картина может измениться на противоположную, но атомы по-прежнему будут притягивать друг друга. Оба атома, как говорят, взаимно поляризуются. В атомном масштабе это притяжение аналогично притяжению нейтрального тела, например шарика бузины к заряженному стержню, как в школьном опыте. Положительно заряженный стержень притягивает отрицательные заряды шарика и отталкивает положительные.
Прочитать остальную часть записи »

Кристаллы, построенные из молекул

Передача электрона от атома одного вещества к атому другого, как в случае натрия и хлора, не единственный способ связи между атомами. Часто некоторая доля электронов обоих атомов «обобществляется». Например, два атома кислорода или два атома хлора при сближении непрерывно обмениваются некоторым числом электронов. Электроны, как и прежде, находятся в постоянном движении, но теперь мы можем предположить, что электроны проводят часть времени в движении около одного атома, а часть времени около другого.
Прочитать остальную часть записи »

Кристаллы, построенные из ионов

Со времен Резерфорда собрано очень большое количество сведений и разработана теория, описывающая поведение электронов в атомах. Представлены лишь схематические изображения атомов. Если бы мы на самом деле смогли увидеть, например, атом натрия, то он скорее был бы таким. Здесь можно различить маленькую внутреннюю оболочку из двух электронов, заполненную оболочку из восьми электронов и «облачко», образованное последним внешним электроном, который странствует вокруг остальной части атома предоставленный самому себе. Электроны движутся настолько быстро (около 10 оборотов вокруг ядра в секунду), что, если бы мы смогли их видеть, они казались бы нам лишь размытым пятном. Итак, движение электронов не только вечное, но и очень быстрое.
Прочитать остальную часть записи »

Скорость движения электрона

Что можно узнать об электронах, роящихся вокруг атомного ядра? Величину положительного заряда ядра и, следовательно, равное ему число электронов в атоме можно определить из экспериментов по рассеянию различных частиц на атомных ядрах. При подобных опытах быстрые частицы отталкиваются от ядер и регистрируется число частиц, отклонившихся на различные углы. Эти эксперименты были впервые выполнены Гейгером и Марсденом вместе с Резерфордом в 1910 году. О них лучше всего рассказано в книгах по ядерной физике.
Прочитать остальную часть записи »

Левая сторона периодической системы Менделеева

Атомы, у которых семь электронов во внешней электронной оболочке химически весьма активны, стремятся во что бы то ни стало захватить еще один электрон у любого соседнего атома, чтобы заполнить свою электронную оболочку. Такие элементы, как кислород, у которых во внешней оболочке недостает до восьми двух электронов, точно так же стремятся захватить два электрона у соседних с ними атомов и потому химически активны. Но захватить два электрона труднее, чем один, поэтому кислород химически менее активен, чем фтор.
Прочитать остальную часть записи »

Электроны в атомах

Водород — самый простой химический элемент. У него всего один электрон, кружащий вокруг ядра, которое несет единичный положительный заряд. За водородом идет гелий, у которого два электрона; суммарный заряд электронов компенсируется зарядом ядра, равным. Если ядро несет три положительных заряда, то оно окружено тремя электронами — это присуще атому лития; если заряд ядра равен 4 +, то это свойственно бериллию, 5+ наблюдается у бора и т. д.
Прочитать остальную часть записи »

Аппаратура для наблюдения дифракции нейтронов

Нейтроны, являясь элементарными носителями магнетизма, ведут себя подобно крошечным стержневым магнитикам (компасным стрелкам). Поэтому, наблюдая дифракцию нейтронов, можно отличить магнитные атомы от немагнитных. Используя нейтроны, физики узнали, что в некоторых кристаллах атомы намагничены параллельно друг другу, а в других — антипараллельно. В последнем случае чередующиеся атомные магнитики направлены в противоположные стороны.
Прочитать остальную часть записи »

Аппаратура для наблюдения дифракции нейтронов

Нейтроны, являясь элементарными носителями магнетизма, ведут себя подобно крошечным стержневым магнитикам (компасным стрелкам). Поэтому, наблюдая дифракцию нейтронов, можно отличить магнитные атомы от немагнитных. Используя нейтроны, физики узнали, что в некоторых кристаллах атомы намагничены параллельно друг другу, а в других — антипараллельно. В последнем случае чередующиеся атомные магнитики направлены в противоположные стороны.
Прочитать остальную часть записи »

Дифракция других волн и частиц

После открытия дифракции рентгеновских лучей были обнаружены еще более поразительные дифракционные эффекты. В 1924 году французский физик Луи Де Бройль выдвинул очень смелую гипотезу, согласно которой небольшие частицы вещества следует в определенных условиях рассматривать как волны. Он предположил, что пучки частиц должны дифрагировать точно так же, как рентгеновские лучи. Тремя годами позже два американских физика, Дэвиссон и Джермер, подтвердили это предположение на опыте. Проводя эксперимент с отраженными пучками электронов, они случайно подвергли нагреванию кусок никеля, который использовали как отражатель электронов, и из него образовались крупные правильные кристаллы. Этот кусок никеля стал давать удивительные отражения электронов. Тогда Дэвиссон и Джермер произвели эксперимент с одним большим правильным кристаллом никеля и впервые непосредственно обнаружили дифракцию «волн материи».
Прочитать остальную часть записи »

Примеры дифракции световых волн

Результат можно получить, расположив в кювете вместо точечных источников волн ряд неподвижных стоек, при столкновении с которыми волны, идущие от одного удаленного источника, рассеиваются. Возникающее при этом явление называется дифракцией волн. На поверхности воды за стойками волна будут распространяться также только в определенных направлениях, чередующихся с направлениями, вдоль которых поверхность воды остается в покое. Сходство наблюдаемой картины на поверхности воды со случаем одновременной работы нескольких источников воли обусловлено тем обстоятельством, что каждый элемент поверхности воды между стойками под действием приходящей волны будет создавать свою систему волн, как и каждый источник волн в первом случае. Такое же явление наблюдается, когда морские или речные волны ударяются о сваи пристани, когда световые волны проходят через мелкую сетку, а также при рассеянии рентгеновских лучей на правильной системе атомов, составляющих кристалл. Наиболее известный пример дифракции световых волн состоит в следующем. Если смотреть на далекий уличный фонарь через мелкую оконную сетку от комаров или туго натянутую марлю, то вокруг фонаря виден освещенный крест. Во всех этих случаях картина дифракции наблюдается вследствие того, что отдельные волны, прорывающиеся сквозь структуру препятствий, могут складываться друг с другом или вычитаться одна из другой.
Прочитать остальную часть записи »

Рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах

Большинство элементов кристаллизуется в одной из этих четырех простых структур — кубической, объемно-центрированной, кубической гранецентрированной и гексагональной плотневшей упаковки — или в структуре алмаза. Более сложные кристаллические соединения строятся из многих различных элементарных ячеек. Приведем здесь лишь одну из них ввиду ее простоты. Это структура поваренной соли, то есть хлористого натрия. Атомы натрия и хлора, чередуясь, образуют вместе простой куб. Заметим, что эту структуру также можно представить себе состоящей из пересекающихся гранецентрированных кубических решеток атомов натрия, с одной стороны, и атомов хлора — с другой. Большая часть наших сведений о поведении непрерывно движущихся электронов и атомов в кристаллах получена в результате изучения таких простых структур.
Прочитать остальную часть записи »

Кристаллы и кристаллические структуры

Что такое кристалл?

Какие вещества можно считать кристаллическими, а какие нет? Алмаз и сапфир — кристаллы. Зерна сахара и соли — тоже кристаллы. Пластмасса обычно не имеет кристаллической структуры. Стекло не относится к кристаллам. Даже хрусталь, из которого делают дорогие вазы и чаши, не имеет кристаллической структуры, как ее понимают физики. Слюда-кристалл. Образцы «альцита, флюорита и полевого шпата, которые находят геологи, тоже относятся к кристаллам. Все металлы являются кристаллическими телами.
Прочитать остальную часть записи »




Статистика