Меню

Поиск

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).

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

Нагревание и сжатие вещества можно изучать порознь. Каждый из процессов по-своему изменяет состояние вещества. Цель данной работы - дать общее представление об области экстремальных состояний в целом, а также рассмотреть результаты наиболее любопытных исследований экстремальных состояний вещества.

1. Современные достижения и объективные ограничения в исследованиях экстремальных состояний вещества

Целесообразно начать с рассмотрения диаграммы состояния вещества в координатах "температура - давление" (см. рис.1). К данной диаграмме мы будем возвращаться на протяжении всей работы, поскольку она представляет, хоть и весьма схематично, графическую квинтэссенцию всего того, что известно об области экстремальных состояний вещества на сегодняшний день.

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.

Прежде всего, проделаем одну несложную 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. В результате мы получаем 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 на диаграмме отметим буквой P, означающей давление.

Рис. 1. Диаграмма состояния вещества как функция давления и температуры

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.

Что касается лабораторных условий, то эти рубежи, еще не достигнуты, с одной стороны, 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, потребуется всего лишь четыре шага, чтобы выйти к границам области экстремальных состояний, которые определяются уровнем наших знаний, относящихся к физике высоких энергий.

Не известно, что будет происходить с веществом, когда в каждый нуклон будет влдожена энергия, по порядку величины соответствующая его массе, согласно формуле Эйнштейна E=mc2. Пока достоверно известно слишком мало информации, чтобы говорить о большей концентрации энергии; потому 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 предельная концентрация энергии измеряется величиной 1037 эрг/см3 и соответствует температуре порядка 1013 градусов и давлениям около 1031 атмосфер. 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.

Теперь очертим рассматриваемую область состояний нижней границей. Пусть экстремальные состояния, достигнутые и изученные в лабораторных условиях, останутся за нею. Не отбросив их, невозможно было 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) (см. рис. 2).

Рис. 2. Расположение ядер атомов в кристалле с объемно-центрированной кубической решеткой

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. Эта область достаточно уверенно делится 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 тех вех, по которым в данной работе будет даваться представление об отдельных районах: состояние вещества в центре Солнца и в сердцевине белого карлика, в коре и мантии пульсара.

2. Экстремальные состояния вещества

Теперь проанализируем различия, существующие между разными состояниями вещества, чтобы в сравнении уяснить специфические особенности, характерные именно для экстремальных состояний вещества. Однако, сначала необходимо привести основные сведения о том, что представляет собой плазма, поскольку это понятие будет одним из ключевых в дальнейшем описании экстремальных состояний.

2.1. Основные понятия и принципы физики плазмы

Что же такое плазма? Плазмой называют газ, ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов. Таким образом, плазма - это ионизированный газ, который электрически квазинейтрален в каждом малом объёме. Условие квазинейтральности означает, во-первых, малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака; во-вторых, подразумевается электрическая нейтральность плазмы в среднем в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени.

Величины объемов и промежутков времени, в которых проявляется квазинейтральность, определяются пространственными и временными масштабами разделения зарядов.

Прежде чем перейти к рассмотрению масштабов разделения зарядов введем понятие равновесной и неравновесной плазмы. В процессе хаотического движения при столкновениях с ионами электроны отдают им долю своей энергии, так что в стационарном состоянии устанавливается некоторое равновесие между приобретаемой и отдаваемой энергией. Распределение электронов и ионов можно описать максвеловским законом распределения и характеризовать некоторой средней полной скоростью, так что средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться некоторой температурой соответственно Te и T+:

В слабых полях и в установившихся режимах энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны энергии нейтральных молекул Te=T+=T. Это состояние отвечает полному термодинамическому равновесию, а плазма называется соответственно равновесной.

В сильных полях, особенно в разреженной плазме, энергия приобретаемая электронами от поля оказывается существенно больше энергии ионов Te>>T+=T. Такое состояние называется неравновесным, а плазма неравновесной.

Рассмотрим теперь пространственный масштаб разделения зарядов. В некотором объёме плазмы с характерным размером d, который называется дебаевским радиусом экранирования, потенциальная и кинетическая энергии заряженной частицы равны между собой.

В равновесной плазме, когда Te=T+=T:

в резко неравновесной плазме, когда Te>>T+=T

где: Te - температура электронов; T+ - температура ионов; T- температура газа; n - плотность электронов и ионов; e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана.

Дебаевский радиус характеризует расстояния, на которых возможны сильные разделения зарядов в плазме. Например, при Te =1 эВ и n=1014 1/м3 дебаевский радиус d = 5,2×10-4м.

Согласно определению Ленгмюра, ионизированный газ называется плазмой, если дебаевский радиус экранирования d намного меньше других характерных расстояний области занятой этим газом.

Временным параметром определяющим разделение зарядов в плазме является угловая частота гармонических колебаний заряженных частиц плазмы. Дело в том, что перемещение заряженных частиц в плазме приводит к появлению электростатических сил стремящихся вернуть частицы в первоначальное положение. Движение таких частиц представляет собой гармонические колебания вокруг положения равновесия:

d=Asin(wpt+f0) ,

где A - амплитуда колебаний; f0 - начальная фаза колебаний; wp- угловая частота, равная

Таким образом, плазменная частота - это резонансная или характеристическая частота системы образующих плазму заряженных частиц, зависящих от их массы. Время отдельного микроскопического взаимодействия не может превысить период плазменных колебаний, т.е. wp представляет собой нижний предел частоты микроскопического взаимодействия заряженных частиц.

Степень ионизации газа в зависимости от условий его существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда (например, в газоразрядных лампах) - это слабоионизированный газ со степенью ионизации порядка 10-8-10-6. Положительный столб дугового разряда при высоких (порядка атмосферного) давлениях газа имеет степень ионизации порядка 10-3-10-1.

Помимо степени ионизации ионизированный газ характеризуется концентрацией электронов, которая в зависимости от характера ионизационных процессов и плотности газа также изменяется в очень широких пределах. Так, концентрация электронов в канале молнии может достигать 10-102 1/м3, в то время как в ионосфере 1011 1/м3.

2.2. Сравнительный анализ различных состояний вещества

Пути, по которым можно подойти к рассмотрению нижней границы области экстремальных состояний, удобнее всего определить по хорошо знакомой из школьных курсов физики и химии диаграмме фаз (см. рис. 3).

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".

Рис. 3. Фазовая диаграмма для области относительно малых давлений и температур. 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.

Страницы: 1, 2, 3

Новости

Мои настройки

Наверх

Экстремальные состояния вещества

Оглавление

Рис. 1. Диаграмма состояния вещества как функция давления и температуры