Экстремальные состояния вещества (стр. 3 из 6)

Зона, где применим термин "жидкоподобная плазма", на диаграмме прилегает к тому месту, где нижняя граница области экстремальных состояний поворачивает к оси давлений. Теперь слегка изменим направление анализа: 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 пришли к линии раздела твердой и жидкой фаз. Рассмотрим теперь понятие и явление плавления.

Известно, что в привычных земных условиях плавление обычно вызывается повышением температуры. С ее ростом увеличивается амплитуда шатаний атомов близ узловых точек кристаллической решетки; 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), начнется переход в жидкую фазу.

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

Однако обратный ход нашего рассуждения сдерживается закономерностями квантовой механики. В последней фразе предыдущего абзаца можно усмотреть покушение на один из основных ее принципов - принцип неопределенности. Согласно законам квантовой механики, нельзя определить одновременно со сколь угодно высокой точностью и положение и скорость частицы, и, следовательно, нельзя говорить о том, что частица замирает с нулевой (точно определенной!) скоростью в каком-либо (строго определенном!) положении равновесия. Так что даже при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, атомы кристалла будут совершать колебания близ положений равновесия - нулевые колебания, как принято их называть в отличие от тепловых.

В соответствии с тем же принципом неопределенности амплитуда нулевых колебаний становится тем больше, чем сильнее стеснены движения атома, чем строже задано положение равновесия. Давление как раз и служит таким стесняющим обстоятельством. Растет давление - растет и амплитуда нулевых колебаний. И вот она становится сравнимой со все уменьшающимся расстоянием между узлами кристаллической решетки. При температуре, близкой к абсолютному нулю, наступает момент холодного плавления твердого тела.

Таким образом, существуют предельные значения температуры, плотности и давления, выше которых кристаллическое состояние невозможно, и, чтобы убедиться в этом, можно было и не отправляться в область экстремальных состояний: именно квантовым эффектом холодного плавления объясняется существование жидкого гелия при низких температурах и атмосферном давлении.

Впрочем, многие вопросы, связанные с холодным плавлением, до сих пор остаются открытыми.

Любопытным вопросом являются процессы, которым подвергаются электроны в области экстремальных состояний (до сих пор, применительно к атомам, речь шла в основном о ядрах). За нижней ее границей электроны отрываются от ядер, пополняя собой самостоятельную электронную компоненту вещества.

О ее структуре рассказывают тонкие черные штрихи, прочеркивающие пестрое поле диаграммы. Линия, идущая углом вдоль нижней границы, выше и правее ее, указывает условия, в которых коллективизируется большинство электронов, следующая линия - условия, в которых электроны обобществлены полностью, следующая за ней - условия, при которых скорости электронов приближаются к скорости света: температура и давление делают то, ради чего в земных условиях строятся ускорители заряженных частиц.

По скругленным вершинам трех этих ломаных линий и дальше вправо и вверх идет еще одна. Правее и ниже ее электроны можно рассматривать как классический газ. Левее и выше лежит так называемая область вырождения - тут вступает в силу знаменитый принцип запрета Паули: если какие-либо электроны в данной порции вещества находятся в одном и том же состоянии с одинаковой энергией, то таких электронов может быть только два. Прибегнув к физическому термину, скажем так: в каждом состоянии может находиться лишь пара электронов, при этом их спины направлены в противоположные стороны.

Чем больше объем тела, чем больше в нем электронов, тем гуще сетка энергетических уровней - ведь каждой паре электронов нужно отвести свой уровень, а энергия частиц, очевидно, ограничена.

А если уменьшить объем тела, например, сжав его? Концентрация энергии в веществе повысится, каждый электрон получит дополнительную энергию, стопка уровней приподнимется, зазоры между ними расширятся. Повышение энергии всегда требует приложения определенной силы - тело будет сопротивляться сжатию. Если же давление снять, энергетические уровни сползут вниз, вернутся в прежнее низшее положение, соответствующее большему объему (см. рис. 5).

Рис. 5. Распределение уровней энергии, на которых располагаются электроны кристалла при меньшем (слева) и большем (справа) давлении.

За этим рассуждением нетрудно увидеть описание общеизвестного механического феномена - упругости твердых тел. В его основе лежит принцип Паули, которому подчиняются электроны твердого тела, будь то кристалл кварца или стальная пластинка.

Несколько слов необходимо сказать о точках, которые стоят близ границ раздела "кристалл - жидкоподобная плазма - идеальная плазма". Эти границы, как уже говорилось, обозначены белыми линиями. Среди них есть сплошные и пунктирные. Такое разнообразие объясняется тем, что единой для всех элементов диаграммы фаз вычертить нельзя.

Сплошные линии соответствуют углероду. По ним можно судить, что происходит, к примеру, в сердцевине белого карлика, состоящей в основном из углерода. Здесь звездное вещество близко к кристаллизации.

Чем тяжелее ядро элемента, чем больше его заряд, тем сильнее смещаются линии раздела фаз к оси температур. Поэтому точка, отвечающая условиям, к примеру, в коре пульсара (состоящей из железа), оказывается высоко над границей "кристалл - жидкоподобная плазма": кора пульсара твердая. Напротив, мантия пульсара, состоящая из нейтронов, протонов и элекронов, жидкая.

Пунктиром вычерчена диаграмма фаз для водорода. Водород - преобладающая компонента солнечного вещества. Из диаграммы видно, что в недрах Солнца он находится в состоянии идеальной плазмы. Атомы водорода полностью ионизированы; атомы более тяжелых элементов могут еще сохранять некоторую долю электронов.

Впрочем, состояние вещества в Солнце рассмотрено в следующем разделе.

3. Состояние вещества в ходе ядерных, термоядерных и пикноядерных реакций

Когда температура и давления становятся достаточно большими, в веществе начинаются ядерные превращения, идущие с выделением энергии.

Нет нужды объяснять здесь важность изучения этих процессов. На управляемый ядерный синтез возлагает свои будущие надежды современная энергетика. Ядерным превращениям обязано Солнце своим теплом и светом, поддерживающими жизнь на Земле.

Слово "ядерный", употребленное в предыдущих фразах, мы часто снабжаем приставкой "термо", не задумываясь, не подозревая, что тем самым выделяем среди ядерных процессов лишь часть, на нашей диаграмме соответствующую зоне, принадлежащей к оси температур ("терме" по-гречески означает "тепло, жар").

Прежде чем рассмотреть другие варианты ядерных превращений, вспомним то, что характерно для термоядерного режима - отправной точки нашего нового путешествия.

Высокая температура. Она равнозначна высокой скорости хаотического движения частиц, их высокой кинетической энергии. Обладаю ею, сближающиеся в полете ядра смогут преодолеть силы кулоновского отталкивания и слиться друг с другом (при их слиянии выделится высокая энергия, характерная для экзотермических ядерных превращений). Впрочем, благодаря так называемому туннельному эффекту ядра смогут слиться и тогда, когда их кинетическая энергия и недостаточна для сближения "до касания". Вероятность туннельного слияния резко - по экспоненциальному закону - растет по мере предельного сближения ядер. Чтобы процесс шел непрерывно, был самоподдерживающимся, партнеры при их хаотическом движении должны встречаться достаточно часто, следовательно, должна быть достаточно высока плотность вещества, или, что то же, давление.

Что будет происходить при дальнейшем увеличении давления? Плотность становится все выше - и при сближении ядер наряду с их взаимным отталкиванием все сильнее начинает проявляться кулоновское взаимодействие налетающих ядер с соседями партнеров; соседи не подпускают налетающие ядра к их возможному партнеру по реакции, экранируют его. В обозначении режима термоядерной реакции появляется добавка "с сильным экранированием" - в отличие от слабого, пренебрежимо малого экранирования, покуда плотность вещества была мала.

Давление растет, плазма становится жидкоподобной. Движение каждого ядра теперь определяется его ближайшими соседями. Ближним порядком жидкость напоминает твердое тело, нам же сейчас важен нменно он - партнерами ядра по ядерной реакции могут стать лишь его ближайшие соседи.

Развернувшись к оси далений, перейдя кривую плавления, мы вступаем в зону твердого состояния вещества.

Покуда температура высока, высока и необходимая для ядерной реакции кинетическая энергия ядер, колеблющихся близ узлов кристаллической решетки. Но при высоких давлениях можно обойтись и без высоких температур благодаря высокой энергии нулевых колебаний. Давление сближает ядра, а чем меньше расстояние их сближения, тем вероятнее их слияние благодаря туннельному эффекту. Наконец, с ростом давления растет частота нулевых колебаний - частота встреч партнеров, столь важная для ядерной реакции.