Экстремальные состояния вещества

Экстремальные состояния вещества

Свойства вещества в состояниях с необычно высокой концентрацией энергии (такие состояния и соответствующие им внешние условия и называют экстремальными) всегда представляли значительный интерес в различных разделах физики и смежных наук - астрофизики, геофизики, некоторых прикладных дисциплин. В последние годы исследования экстремальных состояний вещества приобрели особенно большое значение: возник ряд важных практических задач (таких, как осуществление контролируемого термоядерного синтеза или получение сверхтвердых материалов), экстремальные условия стали создавать новыми методами, в природе были открыты новые экстремальные состояния (нейтронное вещество в пульсарах).

 

Как подвести энергию к веществу? Какие давления и температуры достигнуты на Земле в лабораторных и естественных условиях? Что ограничивает исследователя при теоретическом изучении экстремальных состояний? Что остается за этой границей?

Говоря об экстремальных состояниях вещества и экстремальных внешних условиях, о сверхвысокой концентрации энергии, мы имеем в виду прежде всего сверхвысокие температуры и сверхвысокие давления, которые действуют на вещество.

Нагревание и сжатие можно изучать порознь. Каждое из них по-своему изменяет состояние вещества. Цель нашего реферата - дать общее представление об области экстремальных состояний в целом, начертить ее карту в координатах "температура - давление".

 

Горизонтальную ось диаграммы отметим буквой T, означающей температуру в градусах Кельвина.

Нет нужды разъяснять, что, подводя энергию к веществу нагреванием, мы можем судить о концентрации энергии по температуре. Но о том, что мерой концентрации энергии может служить и давление, следует сказать несколько поясняющих слов.

Но прежде проделаем одну нехитрую манипуляцию. Возьмем отношение единицы силы к единице площади, то есть единицу давления. Умножим числитель и знаменатель этой дроби на единицу длины. В числителе тогда образуется единица энергии, в знаменателе - единица объема. Итак, мы получили меру концентрации энергии в веществе. Но дробь от умножения не изменилась, осталась единицей давления. Значит, концентрация энергии в веществе определяется также и приложенным к нему давлением. Сжатие - второй способ, которым можно насытить вещество энергией. Вертикальную ось отметим буквой P, означающей давление.

Теперь нам предстоит разметить каждую ось масштабными делениями. Пусть первые засечки соответствуют комнатным условиям - три сотни градусов по оси абсолютных температур и одна атмосфера по оси давлений. Вторые пусть отвечают экстремальным состояниям, которые достигаются на Земле в естественных и лабораторных условиях.

В естественных условиях экстремальные состояния возникают главным образом благодаря силам тяготения. Их действие слабо спадает с расстоянием, не экранируется. Эти силы сжимают вещество, а рост давления приводит к повышению температуры. В центре Земли давление достигает четырех миллионов атмосфер, температура - пяти тысяч градусов. Порядок этих величин определит положение новых отметок на осях координат.

Ну а в лабораторных условиях? Как рассматриваются здесь только что зафиксированные нами рекорды природы? Как манящая веха? Или как пройденный этап?

Оказывается, в лаборатории эти рубежи, с одной стороны, еще немного не достигнуты и, с другой стороны, уже несколько превзойдены. Дело в том, что в лабораторных условиях экстремальные состояния можно создавать либо на краткий миг, либо на относительно долгое время. Статические методы, основанные на применении специальных механических устройств, дают возможность получать давления порядка миллиона атмосфер; одновременно можно осуществить нагрев вещества примерно до тысячи градусов. Динамические методы, основанные на использовании мощных ударных взрывных волн, позволяют достичь давлений в несколько десятков тысяч атмосфер; температура при этом возрастает до десятков и сотен тысяч градусов. Если же речь идет только о нагреве вещества, когда сжатие не требуется, то методы, которые можно использовать для этого, весьма разнообразны: мощные разряды в плазме, резонансный разогрев электромагнитным полем, инжекция в плазму предварительно ускоренных сгустков частиц, разогрев с помощью лазеров и т. д. К настоящему времени достигнуты температуры, измеряемые десятками миллионнов градусов.

Вслед за первыми засечками сделаем на осях температур и давлений еще несколько, наращивая значения той и другой величины в геометрической прогрессии (на нашей диаграмме принят логарифмический масштаб). Оказывается, нам потребуется всего лишь четыре шага, чтобы выйти к границам области экстремальных состояний, которые определяются уровнем наших знаний, относящихся к физике высоких энергий.

Мы не знаем, что будет происходить с веществом, когда в каждый нуклон будет влдожена энергия, по порядку величины соответствующая его массе, согласно формуле Эйнштейна E=mc2. Не будем говорить о большей концентрации энергии и тем самым остановимся у порога рождения таких гипотетических частиц как кварки или промежуточные бозоны. При более высоких температурах и давлениях свойства вещества оказались бы радикально зависящими от того, существуют ли в действительности такие частицы.

Выбранная нами предельная концентрация энергии измеряется величиной 1037эрг/см3 и соответствует температуре порядка 1013 градусов и давлениям около 1031атмосфер. Такими уровнями очерчена верхняя граница рассматриваемой нами области экстремальных состояний вещества. За этой границей остаются условия на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, в ряде коллапсирующих или проходящих катастрофические этапы своей эволюции небесных тел, а также, возможно, в ядрах массивных пульсаров.

Очертим рассматриваемую нами область и нижней границей. Пусть экстремальные состояния, достигнутые и изученные в лабораторных условиях, останутся за нею. Не отбросив их, мы не смогли бы разобраться в том исключительном разнообразии форм и свойств, присущих веществу в холодном несжатом состоянии: электрических, химических, оптических и т. д. и т. п.

С ростом температуры и давления структура вещества упорядочивается и упрощается: разрушаются молекулы и молекулярные комплексы и вещество переходит в чисто атомарное состояние; электронные оболочки атомов перестраиваются, и заполнение электронных уровней становится все более регулярным; от ядер отрываются наружные электроны, определяющие химическую индивидуальность вещества, а затем коллективизируются, оголяя ядра, и все остальные электроны... В конце концов свойства вещества будут зависеть лишь от того, каким путем достигнута высокая концентрация энергии: с продвижением вдоль оси температур все вещества становятся плазмой, вдоль оси давлений - идеальными металлами с единой, наиболее плотной кристаллической решеткой - объемно-центрированной кубической (надо заметить, что твердое вещество приобретает ее лишь тогда, когда ядра атомов полностью оголены).

Так располагаются ядра в кристалле с объемно-центрированной 
кубической структурой.

Но для того, чтобы осуществились все упомянутые унифицирующие перестройки, нужна энергия, достаточная хотя бы для того, чтобы оторвать от атома наружные электроны. Соответствующая концентрация энергии составляет около 1014 эрг/см3. Отсюда уже нетрудно перейти к температурам (сотни тысяч градусов) и давлениям (сотни миллионов атмосфер). Только при достаточном удалении от этой границы возможно сколько-нибудь общее теоретическое описание свойств вещества.

Но здесь теоретические предсказания при нынешнем состоянии экспериментальной техники уже не допускают проверки путем экспериментов и наблюдений. Между тем возможности чисто теоретических исследований сильно ограничены: необходимо учитывать взаимодействия между частицами, а их надежный учет невозможен, особенно вблизи верхней границы рассматриваемой области, где современная физика не располагает последовательной теорией сильных взаимодействий.

По этой причине в физике экстремальных состояний имеется еще немало проблем, ждущих своего окончательного решения.

И вместе с тем даже в свете сегодняшних наших знаний область экстремальных состояний предстает перед нами отнюдь не как сплошное белое пятно. Мы довольно уверенно делим эту область по характеру агрегатного состояния вещества (здесь твердое тело, там плазма), по характеру протекания ядерных процессов (здесь идут термоядерные, там - пикноядерные реакции), по типу структурных единиц вещества (здесь существуют электроны и ядра, там вещество построено из нейтронов). Правда, переходы между различными состояниями, как правило, совершаются непрерывно, так что область экстремальных состояний трудно разбить на какие-либо районы четкими границами. Разделительные линии - маршруты наших будущих путешествий по этой области - будут носить весьма условный смысл. Весьма условным, дающим лишь представление о порядках величин, будет и расположение вех, по которым мы будем ориентроваться в отдельных районах: состояние вещества в центре Солнца и в сердцевине белого карлика, в коре и мантии пульсара.

 

Чем отличаются друг от друга твердое, жидкое и газообразное состояния с точки зрения молекулярной теории? Что такое "жидкоподобная плазма"? В каком общеизвестном механическом свойстве можно усмотреть проявление принципа Паули? Что такое "холодное плавление"?

Езду в незнакомое лучше начинать от хорошо знакомого. Маршруты, по которым можно подойти к нижней границе области экстремальных состояний, наметим по хорошо знакомой каждому школьнику диаграмме фаз.

Диаграмма фаз для относительно небольших температур и давлений. При условиях, соответствующих точкам пограничных линий, фазы находятся в равновесии; при условиях, соответствующих тройной точке, система состоит из твердой, жидкой и газообразной фазы одновременно. В критической точке жидкость и пар становятся тождественными по своим физическим свойствам; за этой точкой эти две фазы неразличимы.

От тройной точки, в которой существуют твердая, жидкая и газообразная фазы вещества, на три стороны расходятся три линии. Одна из них, разграничивающая твердую и газообразную фазы, уходит к абсолютному нулю. Другая, отделяющая твердую фазу от жидкой, взмывает вверх. Можно двинуться к высоким давлениям вдоль нее, но мы выберем третью линию - границу "жидкость - газ".

Отправимся по ней. И вскоре убедимся, что предпочли не лучший путь: четкая дорога обрывается в критической точке, где теряется различие между жидкостью и газом. А с дальнейшим ростом температуры пропадает нужда и в самих этих терминах: вещество переходит в свое четвертое состояние - плазму.

Это слово и ляжет первым обозначением на ту часть области экстремальных состояний, которая принадлежит к вертикальному участку ее нижней границы.

Однако не мало ли одного обозначения для столь обширного пространства диаграммы? Трудно поверить, чтобы свойства плазмы были совершенно одинаковыми на обоих концах столь протяженной полосы!

Вспомним, чем отличаются друг от друга более привычные для нас состояния веществ - твердое, жидкое и газообразное.

Твердое тело - это идеальный порядок. Выяснив расположение нескольких атомов в каком-либо участке кристалла, мы можем предсказать местоположение сколь угодно далеких их соседей по кристаллической решетке. Ошибка в определении координат каждого атома не превысит амплитуды его хаотических дрожаний близ положения равновесия, обусловленных температурой.

Газ - это "идеальный" беспорядок. Каждый атом газа движется совершенно независимо от прочих, временами сталкиваясь с ними.

Жидкость - это нечто среднее между порядком и беспорядком. В кругу своих близких соседей каждый атом занимает определенное положение и колеблется около него, как в кристалле. Но такой порядок физики не зря называют ближним: дальние соседи движутся друг относительно друга совершенно хаотически, как атомы газа, - время от времени каждый атом меняет своих соседей.

Такие траектории можно было бы вычертить, если через равные промежутки времени засекать положение какого-либо атома в газе (а), жидкости (б) и кристалле (в). На двух последних рисунках точками обозначены атомы-соседи.

На ЭВМ удалось рассчитать движение частиц в плазме при больших давлениях. Оказалось, что частицы ведут себя совсем как жидкости: то и дело скачками меняя свое положение в пространстве и на некоторое время оставаясь верными тому ближнему порядку, который связывает их с соседями.

Плазму, для которой характерно такое поведение частиц, называют жидкоподобной. Как уже говорилось, плазма становится такой при больших давлениях. Близ оси температур она похожа по свойствам на идеальный газ и называется идеальной. (Границы, позволяющие различать агрегатные состояния вещества на рисунке обозначены белыми линиями, разделяющими цветные поля.)

Зона, где применим термин "жидкоподобная плазма", на нашей диаграмме прилегает к тому месту, где нижняя граница области экстремальных состояний поворачивает к оси давлений. Слегка изменим и мы направление своего маршрута: не прекращая наращивать давление, несколько снизим температуру.

С падением температуры уменьшится скорость хаотического движения частиц, рост давления заставит оголенные ядра теснее сблизиться друг с другом. Роль кулоновского взаимодействия между положительно заряженными ядрами возрастет. По этой причине ядрам будет энергетически выгодно выстроиться в определенном порядке, образовать кристаллическую решетку.

Итак, мы очутились у линии раздела твердой и жидкой фаз, у той дороги, по которой могли бы достичь нижней границы области экстремальных состояний, отправляясь от тройной точки.

Но, наученные предыдущим, подойдя к границе плавления, обратимся вновь к исследованию самого понятия "плавление".

Мы знаем, что в привычных земных условиях плавление обычно вызывается повышением температуры. С ее ростом увеличивается амплитуда шатаний атомов близ узловых точек кристаллической решетки; вот она становится сравнимой с расстоянием между узлами, а когда составит от этого расстояния примерно четверть (к такой цифре приводит теоретическая оценка; в нормальных комнатных условиях оценку подтверждают эксперименты с нормальными металлами), тогда и начнется переход в жидкую фазу.

Можно провести то же рассуждение в обратном порядке: чем ниже температура, тем меньше амплитуда хаотических дрожаний атомов, тем точнее определяется их положение в узлах решетки.