Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Кристали як впорядковані, але неживі структури - Фізика

РЕФЕРАТ

КРИСТАЛИ як впорядкування, АЛЕ неживої СТРУКТУРИ

2009

Введення

Підвищення температури пов'язано з більш інтенсивним рухом молекул і, відповідно, призводить до більшої невпорядкованості. Це наводить на таку думку: чи не можна домогтися впорядкованості, позбавляючи систему від теплової енергії. Саме це і відбувається при охолодженні. Розглянемо кілька емпіричних фактів. Якщо заморозити воду, то вона перетвориться на лід, а точніше - утворює крижаний кристал.

Оскільки молекули води дуже і дуже малі (приблизно одна мільйонна міліметра), ми не можемо побачити їх окремо навіть за допомогою самого кращого мікроскопа, проте кристали можна "прищепити", використовуючи рентгенівське випромінювання або електронні хвилі, завдяки чому фізики і отримали настільки точну картину їх будови. Окремі молекули збудовані в кристалі стрункими рядами, "плечем до плеча": тут ми маємо справу з високоорганізованим твердим станом матерії. У рідкому стані окремі молекули води рухливі відносно один одного, що і забезпечує її плинність. Якщо нагріти воду до температури кипіння, вона почне випаровуватися, тобто перейде в газоподібний стан. У водяному парі молекули води безперервно стикаються один з одним і змінюють внаслідок цього траєкторії свого руху, подібно безлічі крихітних тенісних м'ячів - тобто перебувають у стані повної невпорядкованості (рис.2).

Рис.1. У кристалі льоду молекули води строго впорядковані і створюють періодичну решітку, схематично зображену на цьому малюнку. Великими кулями представлені атоми кисню, а з'єднані з ними суцільними лініями маленькі кульки символізують атоми водню.

У фізиці ці різні агрегатні стани - тверде, рідке і газоподібне - називають також фазами, а переходи від одного стану до іншого, відповідно, фазовими переходами. Завдяки тому, що для виникають при фазових переходах станів характерні абсолютно різні рівні упорядкованості (або невпорядкованості), такі переходи давно привернули до себе увагу фізиків; дослідження фазових переходів проводяться і сучасними вченими. Що ж особливого в фазових переходах?

Рис.2. Три агрегатних стану води

Як уже зрозуміло з прикладу з водою, основу кожної з трьох фаз - водяна пара, вода і крижаний кристал - складають одні й ті ж молекули. На мікроскопічному рівні ці три фази відрізняються тільки лише організацією молекул, їх розташуванням відносно один одного. У водяному парі молекули рухаються зі швидкістю близько шестисот двадцяти метрів в секунду, при цьому молекули жодним чином не впливають один на одного (за винятком випадків їх зіткнення). У рідини між молекулами існують сили взаємного тяжіння, проте молекули все ж залишаються досить рухливими. У кристалах ж окремі молекули жорстко впорядковані всередині періодичної решітки (рис.3).

З кожним із цих станів мікроскопічної організації пов'язані абсолютно різні макроскопічні властивості, особливо ж наочно виявляються відмінності механічних властивостей. Наприклад, в газоподібному (або пароподібної) фазі речовина легко стискається, в той час як рідина майже нестислива, а лід і зовсім є твердим тілом. Змінюються і інші фізичні властивості - наприклад світлопроникність. Таким чином, ми бачимо, що мікроскопічні зміни можуть стати причиною появи абсолютно нових макроскопічних властивостей речовини (будь-якої речовини, а не тільки води).

Рис.3. Організація атомів в кристалі кухонної солі (NaCl). Великі кулі - іони хлору, маленькі - іони натрію.

Ще про одну властивість фазових переходів слід сказати особливо. Переходи здійснюються (за інших постійних умовах - наприклад незмінному тиску) при абсолютно певній температурі, званої критичної. Припустимо, вода закипає при 100 ° С, а замерзає при 0 ° С. (Втім, температурна шкала Цельсія навмисно влаштована таким чином, що відрізок між точкою кипіння і замерзання води дорівнює ста градусам) Інші речовини плавляться при зовсім інших температурах: скажімо, залізо - при 2081 ° С, а золото - при 1611 ° С, і випаровуються ці метали при відповідно більш високих температурах.

Надпровідність і магнетизм

Фазові переходи відбуваються не тільки з одного агрегатного стану в інший. Стрибкоподібні зміни властивостей можна спостерігати і в самих кристалах. Одним з найцікавіших в сенсі технічного застосування явищ такого роду можна вважати надпровідність. Щоб зрозуміти, що значить це "над-", слід спочатку згадати про принцип передачі електричного струму (як по лінії електропередачі, так і в побутових електроприладах). Електричний струм в металах являє собою рух найдрібніших заряджених частинок, електронів. Більшість металів утворюють кристалічну решітку, усередині якої, подібно до газу, рухаються вільні електрони, постійно стикаючись з атомами решітки і втрачаючи при цьому енергію (рис.4); саме ця "втрачена" електронами енергія і переходить в неупорядковану теплову енергію атомів решітки. Таким чином, частина енергії електричного струму безперервно перетворюється на теплову енергію. Подібний ефект, природно, бажаний у електричних праски, але ніяк не в роботі ліній електропередачі: тут-то якраз було б краще доставити електричний струм споживачеві саме в тих кількостях, в яких він був проведений на електростанції, не нагріваючи при цьому лінію. Однак втрати енергії "в дорозі", на жаль, неминучі через описаних уже зіткнень електронів з атомами решітки металевого провідника - так званого електричного опору. Уже в 1911 році голландський фізик Гейке Камерлінг-Оннес виявив, що деякі метали (наприклад ртуть) при охолодженні до певних, дуже низьких температур, повністю втрачають опір (рис.5). Цей феномен був названий вченим надпровідність. Воістину вражає в цьому явищі те, що опір не просто стає дуже малим - воно зникає абсолютно! Це доводять експерименти з дротом, зігнутою в кільце: струм по цьому дроті протікав більше року. Зрештою фізикам це набридло, і вони припинили експеримент, знову нагрів дріт. Теоретичних пояснень цього феномена довелося чекати понад сорок років. Сьогодні нам відомо, що в основі процесу надпровідності лежить зовсім особливий стан мікроскопічної впорядкованості: електрони проходять крізь кристалічну решітку металу попарно. Пари електронів рухаються строго впорядкування, припиняючи всякі спроби атомів решітки пручатися своєму току. У певному сенсі це те ж саме, що колона на марші, що біжить крізь густі зарості чагарнику, тримаючись при цьому за руки; кущі більше не є перешкодою для окремих людей. І знову ми бачимо, як і у випадках з іншими фазовими переходами, що зміни порядку на мікроскопічному рівні ("попарне" рух електронів) дають абсолютно нові макроскопічні стани (струм при повній відсутності опору).

Рис.4. На цьому малюнку схематично зображено мікроскопічний ділянку кристалічної решітки. Окремі атоми металу показані великими гуртками. Внаслідок теплового руху атоми металу безперервно коливаються. Представлені маленькими чорними кружками електрони зіштовхуються з атомами решітки, що уповільнює їх рух і змінює його траєкторію; при цьому частину своєї енергії електрони віддають атомам решітки, в результаті чого відбувається поступове нагрівання металу і одночасне ослаблення електричного струму.

Рис. 5. Графік залежності електричного опору від температури. При температурі нижче критичної (тут це 4, 2 К [абсолютна температура]) електричний опір повністю відсутня; вище ж цієї позначки опір приймає деяке кінцеве значення

Чому ж надпровідники досі не використовуються в лініях електропередачі? Вся біда в тому, що надпровідність стає можливою лише при наднизьких температурах (наприклад при - 260 ° С), і охолодження в таких масштабах зажадало б занадто великих грошових витрат. Однак є й інші області застосування надпровідності, і тут охолодження цілком окупається. Як відомо, електричний струм породжує магнітні поля. За допомогою надпровідності можна створювати неймовірно потужні магнітні поля, і вже сьогодні цей ефект застосовується, серед іншого, в установках для виробництва енергії за допомогою реакції термоядерного синтезу. Крихітні надпровідники використовуються в окремих елементах схем сучасних комп'ютерів, а комп'ютери наступного покоління, можливо, матимуть у своїй основі електронний мозок, здатний працювати тільки при температурах, близьких до абсолютного нуля. Стрибкоподібне зміна фізичних властивостей спостерігається також і в феромагнетиках. Мова йде про кристалах заліза, які демонструють намагніченість при кімнатній температурі. При нагріванні ж феромагнетика до певної температури (774 ° С) намагніченість раптово зникає (Рис.6). Цікаво, що і тут зміна макроскопічних властивостей пояснюється процесами, що протікають на мікроскопічному рівні. Досліджуючи структуру магнітів, фізики виявили, що вони складаються з крихітних "магнітиків", якими виявилися самі атоми заліза (а точніше, їх електрони). Елементарні магніти пов'язані між собою певними силами. Однак якщо однойменні полюси звичайних, макроскопічних, магнітів відштовхуються один від одного, то елементарні магніти мають саме протилежним властивістю, і їх однойменні полюси притягуються. Інакше кажучи (і, з точки зору фізики, більш точно), елементарні магніти вибудовуються в певному порядку, зберігаючи однакову орієнтацію (рис.7). Пояснити таку незвичайну поведінку можна лише із залученням робіт Гейзенберга в галузі квантової теорії, які поведуть нас, мабуть, занадто далеко від нашої теми. Всі мікроскопічні магнітні поля підсумовуються і створюють те макроскопическое магнітне поле, яке кожен з нас напевно спостерігав у магнітів.

Рис.6. Залежність намагніченості феромагнетика від температури. При температурі Г вище критичної (Тс) намагніченість зникає

Рис.7. При температурі нижче критичної мікроскопічні елементарні магніти, з яких складається ферромагнетик, упорядочениФазовие переходи: від хаосу до порядку і назад

У неврегульованих стані елементарні магніти феромагнетика можуть бути розподілені по всіх можливих напрямах. Такий розподіл можна назвати симетричним: жодне з напрямків не має жодних переваг перед усіма іншими. При намагнічуванні ж феромагнетика всі елементарні магніти раптом виявляються звернені в одному і тому ж напрямку; і хоча до фазового переходу всі напрямки були рівноправними, в цей момент відбувається вибір одного певного напрямку: існувала спочатку симетрія напрямків виявляється "порушена" (рис.8).

Ферромагнетики ідеально підходять для вивчення процесів, що відбуваються на мікроскопічному рівні при фазових переходах. У намагніченому, впорядкованому стані всі елементарні магніти зорієнтовані в одному напрямку, в той час як в разупорядоченной фазі вони виявляються хаотично розподілені по всіх можливих напрямах. Причина виникнення цих двох абсолютно різних фаз - боротьба двох різнорідних фізичних сил. Одна з них впливає на елементарні магніти, вибудовуючи їх паралельно, в одному напрямку. Інша сила грунтується на тепловому, тобто неупорядоченном, русі і прагне разупорядочіть структуру магніту, хаотично розподіливши напрямки полюсів елементарних магнітів. Тут, мабуть, можна провести аналогію з вагами: на одну чашу терезів навантажимо тепловий рух, а на іншу - сили, впорядковують розташування елементарних магнітів. Якщо великим "вагою" володіє тепловий рух, то магніт виявляється в невпорядкованою фазі і на макроскопічному рівні втрачає намагніченість, оскільки припиняється сукупний вплив окремих елементарних магнітів, спрямоване назовні (рис.8). Охолодивши магнітний брусок, ми суттєво "полегшимо" цю чашу ваг, і перевагу отримають сили, що діють всередині магніту. Ваги тут же схиляться в інший бік, і елементарні магніти знову розташуються стрункими рядами (рис.9).

Рис.8. Ваги символізують боротьбу між тепловим рухом і силами, що діють всередині магніту. Якщо "переважує" тепловий рух, то елементарні магніти виявляються зорієнтовані в різних напрямках

Деякі з тих понять, з якими ми познайомилися, розглядаючи фазові переходи, будуть дуже важливі для нас і надалі, коли ми будемо обговорювати в термінах синергетики перебіг різних процесів, використовуючи приклади не тільки з фізики, але також з соціології та психології.

До таких понять можна віднести важлива властивість багатьох фазових переходів, яке ми можемо спостерігати неозброєним оком при кипінні рідини. Скажімо, вода при температурі нижче критичної прозора, однак при наближенні до точки кипіння вона мутніє. Пояснюється це тим, що у закипаючою води істотно змінюється здатність до світлорозсіювання. В даному випадку цю здатність послаблює те, що рух молекул води поблизу критичної точки особливо інтенсивно, а це призводить до того, що фізики називають "критичними флуктуаціями". Ілюстрацією цього поняття може стати картинка, що зображає велику групу людей в момент закінчення якого-небудь зборів. Люди починають розходитися, виникає жвавий рух, подекуди приводить до пробок, і так продовжується до тих пір, поки кожен не відправиться своєю дорогою (рис.11). Фазові переходи і сьогодні залишаються об'єктом інтенсивних фізичних досліджень. При цьому з'ясовується, що фазові переходи, незважаючи на відмінність у характері субстанцій та феноменів, все ж підкоряються однаковим закономірностям і супроводжуються одними і тими ж основними проявами - такими, наприклад, як критичні флуктуації або порушення симетрії. В останні роки фізикам вдалося обгрунтувати єдині закономірності фазових переходів. Припустимо, несподіване виникнення при таких переходах впорядкованих структур можна безпосередньо перенести на процеси, що відбуваються в живих організмах, - адже і тут ми маємо справу, в певному сенсі, з впорядкованими структурами. Є, проте, одне "але". У наших прикладах були розглянуті речовини, які приходили в упорядкований стан тільки при зниженні температури. Фізіологічні ж процеси при зниженні температури, навпаки, слабшають і навіть повністю припиняються, а результатом цього для багатьох живих істот стає смерть.

Рис.9. Ситуація, протилежна попередньої: тепловий рух виявилося слабшим, і внутрішні сили впорядкували елементарні магніти.

Рис. 10. Тут зіставлені обидва випадки, представлені на рис.8 і 9. Зліва: елементарні магніти зорієнтовані різним чином, внаслідок чого загальна намагніченість дорівнює нулю. Справа: всі елементарні магніти зорієнтовані однаково, що посилює їх магнітне дію, і феромагнетик стає магнітом

Живі істоти для підтримки життя потребують постійного припливу енергії і речовин, які вони засвоюють і переробляють. Високорозвинені теплокровні істоти не тільки не підтримують теплової рівноваги з навколишнім їх середовищем - вони дуже далекі від нього. Скажімо, температура нашого тіла близько 37 ° С, а нормальною кімнатною температурою ми вважаємо температуру всього лише близько 20 ° С. Очевидно, що фізіологічні процеси повинні бути засновані в цьому випадку на якихось зовсім інших принципах, які не мають нічого спільного ні з кристалічною решіткою надпровідників, ні з феромагнетиками. Може здатися, що фізики не дано зробити свій внесок у пояснення природи життя.

Рис.11. Збори закінчилися, і його учасники, товплячись, спрямовуються до виходу, демонструючи при цьому значні коливання щільності свого розподілу.
Мистецтво в системі світових релігій
МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ ФЕДЕРАЦІІБелгородскій юридичний інститут Кафедра гуманітарних і соціально-економічних дисциплін Дисципліна: Естетична культура. РЕФЕРАТ по темі: «Мистецтво в системі світових релігій». Підготував: Слухач 343 групи Горовий П.А. Білгород - 2008р. План Вступна

Мистецтво в системі культури
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ. РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ УФИМСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАФТОВИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра "Історії і культурологии'Контрольная робота Тема: Мистецтво в системі культури Виконав: студент 1-го курсу Богоманов Г.Ш. група ГРЗ-08-01 Шифр: 082579 Перевірив: Каримов М.М. Зміст 1. Які

Группаналитическая терапія психозів
Марія Канете і Артуро Еськверро Ця стаття описує деякі ідеї, теоретичні і клінічні, пов'язані з групами-аналітичним лікуванням психозу, в умовах психотерапевтичекого денного стаціонара, яке проводиться щотижня в багатонаціональному і бідному районі в Англії. Клінічні описи відносяться до різних

Інформаційні потреби студента
ФГОУ ВПО Пермський Державний Інститут Мистецтва і Культури Факультет документально-інформаційних комунікацій Кафедра документоведения, библиотековедения і бібліографії Інформаційні потреби студента Виконала: студентка гр. БМ-22 Подшивалова Ю.А. Перевірила: Вафина Е. М. Пермь 2008 Зміст Введення.

Индо-буддійський тип культури
План Введення 1. Передумови формування древнеиндийской культури 2. Ведийская література 3. Релігії Древньої Індії 4. Древнеиндийская філософія, міфологія, правова культура 5. Світове значення индо-буддійського типу культури Висновок Список літератури Введення Протягом багатьох віків Індія

Имиджевые маніфестації молодіжної субкультуры
Курсова робота Іміджевие маніфестації в молодіжної субкультуре Зміст Введення Розділ 1. Молодіжна субкультура і роль іміджу в образі життя молодих людей Розділ 2. Имиджевая маніфестація у вивченні молодіжної субкультуры 2.1 Семантичні аспекти іміджу і поняття маніфестація 2.2 Символіка зовнішнього

Иконография Екатеріни II
Введення Протягом XVIII сторіччя в протидії і взаємовпливі зміняються декілька стильових напрямів російського мистецтва - барокко і рококо, класицизм і сентименталізм. Новий яскравий період в розвитку російського мистецтва пов'язаний з правлінням Екатеріни Великою. Російська імператриця розділила

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати