Kvant. Состояния вещества

Городецкий Е.Е. Сколько бывает состояний у вещества? //Квант. — 1989. — № 1. — С. 47-49.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В этой заметке мы хотим рассказать немного о различных состояниях вещества — о самых известных, несколько менее известных и совсем мало известных.

Любое тело — это огромное число движущихся и взаимодействующих друг с другом молекул. Кажется совершенно естественным, что, когда взаимодействие молекул друг с другом слабое, молекулы должны образовывать газ; в противном же случае, когда взаимодействие велико,— твердое тело; в промежуточном случае — жидкость. Это, безусловно, так. Только в физике не существует понятий малой или большой величины без сравнения с чем-то. В данном случае энергию взаимодействия молекул надо сравнивать с их кинетической энергией.

Из молекулярно-кинетической теории известно, что средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул \(~\bar E\) непосредственно связана с температурой Т системы\[~\bar E = \frac32 kT\]. Так как нас интересуют только качественные соображения, множитель \(~\frac32\) мы учитывать не будем. Обозначим среднюю энергию взаимодействия молекулы со своим окружением через U. Введем параметр ε, равный отношению средней энергии взаимодействия к средней кинетической энергии\[~\varepsilon = \frac{U}{kT}\]. Теперь можно записать условия существования газа, жидкости и твердого тела. Если ε << 1 мы имеем газ (молекулы быстро двигаются, почти не взаимодействуя друг с другом). Когда ε >> 1, система представляет собой твердое тело (молекулы «зажаты» на своих местах). Промежуточный случай, когда ε ≈ 1, соответствует жидкости. Но внутри каждого из этих очень больших классов состояний существует довольно большое разнообразие.

Остановимся прежде всего на твердом теле. Из условия ε >> 1 ясно, что состояние твердого тела определяется в основном энергией взаимодействия молекул. Как известно, любая система, предоставленная самой себе, стремится занять такое положение, чтобы ее потенциальная энергия была минимальной (под потенциальной энергией здесь надо понимать именно энергию взаимодействия молекул друг с другом). Так вот, оказывается, что минимуму энергии соответствует состояние, когда молекулы расположены строго периодически. Другими словами, устойчивому равновесию соответствует не просто твердое тело, а конкретно кристалл. Это первый, наиболее хорошо изученный тип твердых тел. Свойства кристаллов целиком определяются типом кристаллической решетки. Бывают решетки, составленные из кубиков, шестигранных' призм, парал- 'лелепипедов и т. п. При нагревании кристаллов (например, при атмосферном давлении) существует температура (внимание! вполне определенная температура), при которой кристаллическая решетка становится неустойчивой. Начинается плавление (понятно, что температура плавления должна определяться из условия ε ≈ 1, т. е. kT_пл ≈ U).

Другой тип твердого тела возникает в том случае, когда при охлаждении жидкости атомы теряют свою подвижность раньше, чем успевают выстроиться в кристаллическую решетку. Теперь они бы и «хотели» упорядочиться, да не могут. Точнее, могут, но для этого им надо очень много времени. Мы получаем твердое, но не кристаллическое, а аморфное тело. Типичным примером таких тел является стекло. При нагревании стекло постепенно размягчается и, в конечном счете, превращается в жидкость, но никакой определенной температуры плавления не существует.

Получится ли при охлаждении данной жидкости кристалл или аморфное тело, сильно зависит от скорости охлаждения. Например, для получения аморфных металлов скорость охлаждения должна быть колоссальной (расплавленный металл разбрызгивают на охлаждаемую жидким азотом поверхность). Но это не единственное условие. Например, из глицерина, как ни старайся, кристалл не получится (причина этого на сегодня не совсем ясна).

Если речь идет о телах, состоящих из молекул простой формы, то никаких других возможностей, по всей видимости, нет. Но, к счастью, мир не так прост. Вы хорошо знаете, что существуют органические (да и не только органические) молекулы чрезвычайно сложной формы. Вещества, построенные из таких молекул, могут находиться в необычных состояниях, которые нельзя отнести ни к жидким, ни к твердым. Вот несколько примеров.

Наиболее типичным свойством жидкости является ее изотропность, т. е. одинаковость свойств во всех направлениях. Одинаковы теплопроводность, механические свойства, скорость распространения различных волн (упругих или электромагнитных) и т. д. Так вот, около ста лет назад были открыты жидкости, не обладающие изотропностью,— так называемые анизотропные жидкости. С тех пор было найдено (и создано искусственно) огромное число таких жидкостей. Главной их особенностью является то, что в одних направлениях они обладают свойствами кристалла (например, периодичностью внутренней структуры), а в других — нет. Это жидкие кристаллы. За совмещение таких, казалось бы, несовместимых свойств, как текучесть и упорядоченность, они получили название мезофаз (мезо означает промежуточный; т. е. промежуточных фаз).

Длинные полимерные молекулы могут образовывать еще один класс состояний, к которым относятся, например, холодец или резина. В этих состояниях длинные молекулы объединяются в разветвленные цепи или сетки. В результате возникает своеобразное, похожее на желе тело, которое называется «гель». Состояния этого типа также чрезвычайно распространены в природе.

Наконец, очень кратко остановимся на в каком-то смысле экстремальных состояниях вещества.

При нагревании газа кинетическая энергия его молекул растет и может оказаться порядка энергии ионизации атомов. Тогда при столкновении молекул друг с другом атомы могут ионизоваться, и мы получим смесь нейтральных и заряженных (положительно и отрицательно) частиц. Очень важно, что количество положительных и отрицательных зарядов при этом всегда одинаково, так что в целом газ электронейтрален. Это плазма, совершенно специальное и обладающее уникальными свойствами состояние вещества.

И в заключение обратимся к... звездам. Звезда — это гигантское газовое и пылевое облако, стремящееся сжаться под действием сил гравитационного притяжения. В результате такого сжатия температура в сердцевине звезды растет, и в какой- то момент зажигается термоядерная реакция: ядра водорода сливаются, превращаясь в гелий. Выделяющаяся при этом энергия препятствует дальнейшему сжатию, звезда стабилизируется (именно на такой стадии звездной эволюции находится наше Солнце). Но постепенно водород выгорает, и сжатие возобновляется. Колоссальное давление, возникающее при этом, раздавливает атомы. Возникает состояние, в котором электроны как бы свободно плавают в поле голых ядер. Если масса звезды не слишком велика (меньше 1,25 массы Солнца), то специфическое отталкивание, существующее между электронами, препятствует дальнейшему сжатию (отталкивание это не связано с электрическими силами, а носит сугубо квантовый характер). В результате возникает совершенно особое состояние с огромной плотностью (порядка 60 т/см³). Звезды, устроенные таким образом, носят название белых карликов (из-за светло-голубого свечения и малых размеров). Если масса звезды большая (больше 1,5 - 2 масс Солнца), то уже и электроны не могут противостоять гравитационному сжатию. В результате они (электроны) вдавливаются в ядра и, сливаясь с протонами, образуют нейтроны. Возникает вещество, состоящее не из атомных ядер, а из нейтронов, с совсем уж фантастически большой плотностью (≈2·10⁹ т/см³). Это нейтронные звезды.

На этом мы, пожалуй, остановимся. Хотя, прямо скажем, список удивительных состояний вещества, существующих в природе, еще далеко не исчерпан.