Джон Апдайк - Танцы твердых тел

Ученый не может позволить себе, подобно художнику, свести этот мир воедино в беглом очерке на одной-цвух страничках. Охватить мир в целом, на одном дыхании, не расчленяя, может только искусство. Наука же склонна лишь схематизировать, анализировать и четко разделять.

Поэтому я попытаюсь только объяснить некоторые, нуждающиеся в комментариях строки оды, не претендуя на стройное изложение основ физики и химии твердого тела или на вскрытне связей между различными их разделами.

" Все знают: мир из Атомов построен...» Ограничим комментарий цитатой из «Лекций по физике> Р. Фейнмана: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные знания оказались бы утерянными и к грядущим поколениям перешла бы только одиа фраза, то какое утверждение принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на расстоянии, но отталкиваются, если одно из ннх плотнее прижать к другому».

«...Лавуазье покончил с Флогистоном...» Напомним, что история величия и падения флогистона (теплорода) изложена в школьном курсе химии.

«. ..Четверки собирая для Кадрили...»Поэтическое по форме сообщение о том, что углерод и кремний четырехвалентны (например,

Н

|

Н —С—Н).

|

Н

«...Металл — всех недр земных владыка...»Всех? Вряд ли... Ядро земли, действительно, обладает многими металлическими свойствами, но состоит ли оно из металлов, пока неизвестно. Скорее всего — нет.

«...Словно Облако, бесплотно, вдоль Поля устремляется охотно...»Несмотря на плотную упаковку атомов в кристаллической решетке, электроны не испытывают сопротивления своему движению, пока решетка идеально правильная. Понять это можно, если принять во внимание квантовость электронов, которые обладают также и волновыми свойствами. Волна свободно проходит там, где тело испытывает препятствие своему движению. Так, например, звук свободно проникает сквозь стены...

«...Ионной связью Кислород связал с такой судьбой смирившийся Металл...»На внешней орбите атома кислорода не хватает двух электронов, а у металлов всегда имеются лишние электроны. Поэтому кислород отбирает свободные электроны у металла, и в результате — «Свободных Электронов нет в помине» ни у того, ни у другого. Потому-то соединения типа Аl 2О 3и не проводят ток.

«...Но Физик его Хаосом назвал...»Стекло представляет собой аморфное тело. т. е. соединения атомов расположены в нем беспорядочно, но вследствие громадной вязкости стекла в течение долгого времени практически остаются неподвижными. Увы, со временем стекло кристаллизуется, т. е. упорядочивается, но при этом оно теряет свои ценные. свойства — расстекловывается. На этом примере становится ясно, что стремление к порядку не должно переходить разумных пределов.

« Нас в царство Жизии вводят Полимеры...»ДНК или белок присутствуют иа бале твердых тел лишь постольку, поскольку Эрэин Шредингер (читайте «Что такое жизнь с точки зрения физики?» ИЛ, Москва, 1947) причислил их к апериодическим кристаллам.

«...Кость создать из Коллагена...»Лирическая неточность, внесеннач переводчиком. А где известь?

«3 NkT звучит, конечно, четко» и т. д.Классическая физика дает для энергии кристаллической решетки формулу Е = 3 NkT. которая четко звучит для того, кто знает, что N — число атомов, к — постоянная Больцмана, а Т — температура. Но реальная зависимость энергии решетки от температуры — совершенно иная. Дебай создал удовлетворительную квантовую теорию твердого тела на основе представления о фоно-нах — звуковых волнах в кристалле.

«Свободный Электрон нам обещает раскрыть секреты свойств Проводника...» и т. д.Те электроны з металлах, которые плохо держатся на атомных орбитах, становятся общими, принадлежащими всему кристаллу («свободными» их назвали в насмешку). В решетке германия свободные электрбны появляются при добавлении мышьяка и обеспечивают высокую проводимость.

«...Как «Допинг» Ферми-уровни меняет...»Значения, которые может приобрести энергия электронов в кристалле, называются уровнями Ферми. Эти значения зависят от различных факторов: от облучения, от инжекцин электронов и т. д.

«Там Атомы кочуют на свободе: их никакая сила не смогла затиснуть в три Магических Числа».Атомы в своих клетках (в решетке) располагаются не в абсолютном порядке, а слегка отклоняясь от точной повторяемости структуры. Поэтому предсказать координаты атома в пространстве (три магических числа х, у и г) можно лишь с небольшой, относительно межатомных расстояний, точностью.

«Там Электроны с Дырками попарно...»и т. д. «Дырка» — официальное обозначение отсутствия электрона там, где он должен быть в кристалле. «Наличие отсутствия» электрона может реально сказаться на проводимости и других свойствах.

«...И каждый Элемент решает смело» и т. д.Законы квантовой механики решительно определяют спектральный состав излучения каждого сорта атомов (т. е. каждого элемента). Элементу остается лишь «смело» с этим примириться.

«...Непарный Электрой в иих виноват».Когда у атома имеется нечетное число электронов на орбите, магнитный момент этих электронов (спин) существенно влияет на магнитный момент всего атома и при определенных условиях может вызвать ферромагнетизм, т. е. коллективное упорядочение атомов по направлению магнитных моментов. Такое коллективное упорядочение по конъюнктурным соображениям (при этом получается выгода в энергии) обычно распределяется не на все тело, а лишь на небольшие его участки — домены. Магнитные моменты доменов направлены противоположно друг другу. Однако стоит только включить внешнее магнитное поле, как все домены «поворачиваются» в одном направлении, при этом границы (стены) между доменами сглаживаются.

«Так создает Гармонию Вселенной ничтожных Сил суммарный результат».Этот финальный вывод был уже сделан Л. Н. Толстым в «Войне и мире», хотя велнкий писатель, как известно, естественных наук не любил: «Движение народов производит не власть, не умственная деятельность, но ...деятельность всех людей, принимающих участие в событии... Придя к бесконечно малому, математика оставит процесс дробления и приступит к новому процессу суммования бесконечно малых».

Как трудно добиться новизны!

Доктор физико-математических наук А. В. ВОРОНЕЛЬ