Нулевое колебание - атом
Cтраница 2
Гелий - удивительное вещество и, по-видимому, наиболее удивительное его свойство - оставаться жидким при абсолютном нуле температуры. Свойство это имеет квантовую природу: амплитуда нулевых колебаний атомов гелия больше среднего расстояния между атомами. Если гелий сдавливать, то не только уменьшаются расстояния между атомами гелия, но и растут силы межатомных взаимодействий. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний, и при давлении 26 атм гелий затвердевает. [16]
 |
Зависимость прямой ( а и. [17] |
В соответствии с теоретическими представлениями величина изотопического сдвига щели при низких температурах оказалось обратно пропорциональной квадратному корню из средней атомной массы. Используя эти данные, удалось определить величину перенормировки электронных энергий из-за нулевых колебаний атомов в решетке кремния. [18]
Строго говоря, это утверждение тоже справедливо лишь при пренебрежении квантовыми эффектами. Последние могут стать существенными ( при Т 0), если амплитуда нулевых колебаний атомов в решетке сравнима с межатомными расстояниями. [19]
Строго говоря, это утверждение тоже справедливо лишь при пренебрежении квантовыми эффектами. Последние могут стать существенными ( при Т1 - 0), если амплитуда нулевых колебаний атомов в решетке сравнима с межатомными расстояниями. В таком квантовом кристалле возможна, в принципе, ситуация, когда в его основном состоянии ( состояние при Т 0) число узлов превышает число атомов. Имеющиеся, таким образом, в решетке нулевые дефекты ( свободные вакансии), однако, не локализованы в каких-либо определенных узлах как это было бы в классическом кристалле), а представляют собой коллективное свойство решетки, не нарушающее ее строгую периодичность. [20]
Прежде всего следует сказать, что только квантовая теория объяснила, почему именно гелий является единственной незамерзающей жидкостью при очень низких температурах и нормальном давлении. Квантовая Теория показывает, что в отличие от классических представлений при любой как угодно низкой температуре вещества ( в том числе и при Т О К) существуют нулевые колебания атомов и молекул. Им соответствует некоторая нулевая энергия, которую невозможно отнять у вещества. Ответ на вопрос о том, остается ли вещество вблизи О К жидким или твердым, зависит от того, что играет определяющую роль - межмолекулярное притяжение, вызывающее образование кристаллической решетки, или нулевые колебания, препятствующие этому образованию. [21]
Необходимо подчеркнуть, что при Т О прекращается не всякое, а лишь тепловое движение частиц. Движение электронов в атомах полностью сохраняется и при температуре абсолютного - нуля. Существование этих нулевых колебаний атомов вытекает из законов квантовой механики. Введение таких единиц ведет свое начало от неправильных представлений о теплоте как об особой жидкости - теплороде, находящейся в нагретых телах. [22]
Возникает естественный вопрос о возможности сохранить в квантовом кристалле представление о фононах как об основном виде слабовозбужденных состояний кристалла. Эксперименты по изучению низкотемпературных свойств твердого гелия показывают, что фононы являются хорошим приближением для описания теплового движения в квантовом кристалле. Этот неожиданный результат означает, что большие нулевые колебания атомов приводят лишь к необходимости своеобразной перенормировки даль-нодействующих корреляций ( фононов) путем учета квантовых короткодействующих корреляций. [23]
Это противоречит законам классической физики, согласно которым при абсолютном нуле всякое движение атомов и молекул прекращается. Однако согласно квантовой теории, даже при Г 0 К существуют нулевые колебания атомов и молекул, и соответствующую нулевую энергию отнять извне у вещества невозможно. Силы взаимодействия между атомами во всех элементах, кроме гелия, преодолевают нулевые колебания атома, поэтому при температурах, близких к абсолютному нулю, все вещества кристаллизуются. В гелии при 0 К и нормальном давлении межатомные силы взаимодействия очень малы, они не могут остановить атомы, и гелий остается жидкостью. [24]
Рассмотрим некоторые основы современных квантовых представлений о сверхтекучести гелия II. Прежде всего следует сказать, что только квантовая теория объяснила, почему именно гелий является единственной незамерзающей жидкостью при очень низких температурах и нормальном давлении. Квантовая теория показывает, что, в отличие от классических представлений, при любой как угодно низкой температуре вещества ( в том числе и при Т 0) существуют нулевые колебания атомов и молекул. Им соответствует некоторая нулевая энергия, которую невозможно отнять у вещества. Ответ на вопрос о том, остается ли вещество вблизи абсолютного нуля жидким или твердым, зависит от того, что играет определяющую роль - межмолекулярное притяжение, вызывающее образование кристаллической решетки, или нулевые колебания, препятствующие этому образованию. [25]
С классической точки зрения амплитуда колебаний будет уменьшаться, и при абсолютном нуле атомы вовсе остановятся. Но вот с точки зрения квантовых законов оказывается, что даже при абсолютном нуле атомы в твердом теле совершают колебания. Их так и называют - нулевые колебания атомов. [26]
Это противоречит законам классической физики, согласно которым при абсолютном нуле всякое движение атомов и молекул прекращается. Однако согласно квантовой теории, даже при Г 0 К существуют нулевые колебания атомов и молекул, и соответствующую нулевую энергию отнять извне у вещества невозможно. Силы взаимодействия между атомами во всех элементах, кроме гелия, преодолевают нулевые колебания атома, поэтому при температурах, близких к абсолютному нулю, все вещества кристаллизуются. В гелии при 0 К и нормальном давлении межатомные силы взаимодействия очень малы, они не могут остановить атомы, и гелий остается жидкостью. [27]
Попытки кристаллизовать гелий закончились неудачей: при атмосферном давлении он остается жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Затвердевает Не при давлении выше 25 атм. Уже то, что гелий остается жидкостью при абсолютном нуле, выдает роль квантовых эффектов. Классические жидкости с обязательностью кристаллизуются при низких температурах; квантовой жидкость становится потому, что если она превратится в кристалл, нулевые колебания ее атомов будут столь велики, что разрушат кристаллический порядок. Большой величине амплитуды нулевых колебаний атомов гелия способствует слабое взаимодействие между ними ( атомы Не инертны); к тому же у них относительно малая масса. [28]
Опыт показывает, что все газы можно превратить в жидкости, а все жидкости - в твердые тела. Особое место занимает гелий. Для кристаллизации гелия нужно охладить его ниже критической температуры и повысить давление примерно до 25 атм. Если же охладить гелий даже до абсолютного нуля ( в настоящее время получены температуры, превышающие О К лишь на несколько тысячных градуса), но не увеличить давление до 25 атм, он останется жидким. Это противоречит законам классической физики, из которых следует, что при абсолютном нуле всякое движение атомов и молекул прекращается. Но согласно квантовой теории даже при О К существуют нулевые колебания атомов и молекул, и соответствующую нулевую энергию отнять извне у вещества невозможно. Силы взаимодействия между атомами во всех элементах, кроме гелия, преодолевают нулевые колебания атома, поэтому при температурах, близких к абсолютному нулю, все вещества кристаллизуются. В гелии при О К и нормальном давлении межатомные силы взаимодействия очень малы, они не могут остановить атомы, и гелий остается жидкостью. [29]
При диффузии наиболее легких атомов внедрения следует ожидать появления квантовых особенностей процесса диффузии. Наиболее сильно они должны проявляться при диффузии водорода. Основной квантовый эффект заключается здесь в том, что при переходе в соседнее междоузлие появляется новая возможность для внедренного атома преодолеть потенциальный барьер при помощи туннельного перехода, не требующего тепловой активации. Строго говоря, состояния такого атома в кристаллической решетке должны определяться уравнением Шредипгера. Это означает, что существует вероятность перехода в другие междоузлия, которая и определяет скорость протекания диффузии, связанной с квантовыми особенностями процесса. При рассмотрении колебаний легких атомов внедрения должны приниматься во внимание их нулевые колебания, приводящие к некоторым дополнительным особенностям диффузии. Заметим, что разница энергий нулевых колебаний атомов в октаэдрических и татраэ-дрических междоузлиях может оказывать влияние на процессы перераспределения этих атомов по междоузлиям разного типа при изменении температуры. [30]
Страницы: 1 2 3