Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Таким образом, кристаллы, оказывается, тоже характеризуются разной степенью упорядоченности: есть абсолютно жёсткие кристаллы, в которых атомы, словно детальки конструктора, прочно связаны своими формами. К ним относятся наиболее твёрдые и плотные тела, типа алмаза, сапфира, как отмечал ещё Лукреций (§ 4.14). А есть полужёсткие, в которых атомы, хоть и расположены упорядоченно, но оказываются одиночными, связанными нежёстко, подвижно, то разрывая, то образуя связи, а, потому, и двигаясь много быстрей, с большей амплитудой колебаний, как догадался тот же Лукреций, изложивший идеи Демокрита о молекулярной природе теплоты и броуновского движения пылинок (§ 4.16). Такие полужёсткие кристаллы напоминают уже не крепко связанные детали конструктора, а, скорее, — кубик Рубика, который легко деформируется от смещения формирующих его кубиков-атомов. Или же этот кристалл подобен собранному паззлу, который, будучи поднят за край со стола, легко гнётся, поскольку детали в нём, не имея достаточно жёстких связей, вихляются. Существование кристаллических тел с жёстко и нежёстко связанными частицами подтверждается, как раз, поведением их теплоёмкости при изменении температуры. Так, у свинца, образованного слабо связанными атомами и, потому, легко режущегося даже ножом, теплоёмкость остаётся на уровне 3 R — даже при опускании температуры до 50 K, подтверждая тем самым, что его атомы не образуют жёстко связанных комплексов. Зато, у алмаза и бериллия (материалов известных своей твёрдостью и прочностью, за счёт жёсткой связи атомов, образующих монолитный кристалл) уже при комнатных температурах теплоёмкость гораздо ниже 3 R [45, Т. 1, с. 596]. И, лишь при нагреве до 1000 К их теплоёмкость начинает приближаться к уровню 3 R , за счёт теплового разрушения жёстких связей в крупных атомных комплексах.

Эту характерную температуру, ниже которой твёрдые тела "перестают подчиняться классическим законам" и становятся заметны отклонения от C =3 R из закона Дюлонга-Пти, называют "температурой Дебая" Θ D = E / k , которую вводят через минимально допустимую по квантовым законам температуру и энергию E колебаний атомов в кристалле. На деле же, как видели, эту температуру легко определить классическим образом, как температуру, при которой средняя кинетическая энергия атомов ~ kT становится сопоставима с удельной энергией E S полностью насыщенной связи атомов. То есть, характерная температура T S=E S/k . Отсюда, в отличие от формулы Дебая, сразу видно, что прочные, твёрдые тела, с очень большой энергией связи E S (бор, алмаз, кремний), обладают высокой характерной температурой T S , тогда как мягкий свинец и щелочные металлы — очень низкой. Зато при охлаждении того же свинца ниже этой температуры, его атомы сцепляются так прочно, что по твёрдости, упругости он сравнивается с лучшей рессорной сталью [90]. По той же причине, температура T S (классический аналог температуры Θ D Дебая) связана со скоростью звука, коэффициентами упругости и проводимости металлов (§ 4.17). Все эти характеристики напрямую зависят от жёсткости, твёрдости металла, — от энергии связи в нём атомов, электронов, от степени насыщения этой связи.

Сказанное в общих чертах верно и для теплоёмкости жидкостей, молекулярные связи в которых возникают и рвутся беспорядочно (§ 4.14). Но и здесь молекулы при соединении могут образовывать сравнительно жёсткие кластеры, "мерцающие", "пульсирующие" микрокристаллы, обнаруженные с помощью рентгенографии, например, — в воде [138]. С повышением температуры процент таких кристаллов уменьшается от разрыва жёстких связей, отчего, по примеру твёрдых тел, теплоёмкость почти всех жидкостей растёт при нагревании, за счёт роста числа независимых частиц и приходящихся на их долю степеней свободы.

Итак, видим, что классическая молекулярно-кинетическая теория объясняет все особенности поведения твёрдых тел, жидкостей и газов, молекул, атомов и ядер. И, более того, классика открывает гораздо более тонкие градации между агрегатными состояниями вещества. Слишком легко уступили учёные давлению модного квантового течения, даже не попробовав истолковать эффекты в рамках классической физики. Кризис физики начала XX в. возник не от классической картины явлений, а от неудачных, неточных моделей, особенно, — моделей атомов и молекул. Большей частью эти модели страдали идеализацией, грубым упрощением. Они описывали предельные случаи и не учитывали ряд атомных свойств и взаимодействий, важных при низких температурах. Если учесть все эти скрытые механизмы, то любые явления удаётся истолковать, применяя классические модели. И самая удачная из них — бипирамидально-сеточная кристалломагнитная модель атома Ритца.

Это кажется невероятным, но, ещё за две тысячи лет до нас, люди догадались не только об атомах материи и света (реонах), но и об атомах электричества (электронах), стремительным движением которых, как поняли античные учёные-атомисты, вызван разряд молнии. Осознав, что любые тела не являются сплошными, а представляют собой соединения атомов, между которыми достаточно пустого пространства, пор, эти учёные построили и первую теорию проводимости, указав, что мельчайшие частицы молнии (электроны) легко проходят сквозь эти поры металлов, создавая электрический ток и ведя к нагреву металла — от столкновений электронов с атомами. Лукреций догадался, что те же частицы-электроны, что создают ток, образуют и связи атомов (§ 4.14). Это была первая механическая классическая теория проводимости. И, всё же, этот, сильно опередивший время, прогрессивный взгляд на вещи, выработанный ещё Демокритом, Эпикуром и Лукрецием, ныне предан забвению вместе с классической теорией проводимости Друде, поскольку пока общепринята квантовая теория проводимости.

В настоящее время считают, что только квантовыми законами можно объяснить электрическую проводимость металлов. А, между тем, впервые именно классическая теория проводимости Друде позволила объяснить природу электропроводности, электросопротивления и многие их особенности. Казалось бы, уж что проще и классичней электрического сопротивления? Закон Ома, резисторы, электрические потери в проводах и выделение тепла нагревательными приборами, — со всем этим мы знакомы с детства. Однако теоретики нагнали столько тумана в это интуитивно всем ясное явление сопротивления, что и его природа стала тайной за семью печатями. Случилось это, когда сопротивление отнесли к квантовым явлениям, которые уже нельзя представить наглядно, а можно лишь описать формулами, отрёкшись от здравого смысла и приняв на веру догматы квантовой механики. Однако, наглядный классический подход отнюдь не исчерпал себя, а, зачастую, — даже лучше объясняет загадки сопротивления, чем квантовая механика и зонная квантовая теория металлов Зоммерфельда.