Колебания атомов в кристаллической решетке

kolebaniya_atomov

Открыв страницу любой энциклопедии, справочника или книги с заголовком: «колебания атомов или молекул…», вы там найдете сложные математические выкладки, сложные графики и много всякого материала про колебания атомов и про вечное движение, и про фононы. Но! Вы не найдете ответ на главный вопрос: откуда эти колебания возникают? Кто или что эти колебания генерирует? Откуда это вечное движение?

Прежде чем ответить на поставленные вопросы о причине колебаний атомов в кристаллической решетке, немного о самом процессе колебаний.

Колебания атомов, ионов или молекул, входящих в кристалл, около положений равновесия узлов кристаллической решётки, дальше в тексте – колебания атомов. В физике данные колебания связывают с температурой вещества кристалла и взаимовлиянием соседних атомов друг на друга – тепловые, упругие и пр.

При повышении температуры происходит повышение частоты и амплитуды этих колебаний. В случае если амплитуда достигает некоторого критического значения, то кристаллическая решетка может разрушиться, иначе произойдет плавление вещества, и оно перейдет в жидкое состояние. При понижении температуры, до нуля, амплитуда падает тоже практически до нуля, но колебания присутствуют (нулевая энергия колебаний).

Оказывается, законами квантовой механики полное прекращение колебаний запрещено! А мы же понимаем, что природа законопослушна, вот поэтому нулевые колебания кристаллической решётки не прекращаются!

В кристалле одновременно могут присутствовать все возможные нормальные колебания, причем каждое протекает таким образом, что как будто без присутствия остальных. Там могут возникать и звуковые и оптические волны, и волны суперпозиции нормальных колебаний кристалла.

В какой-то момент могут возникать гармонические колебания, но это как исключение, в основном это ангармонизм. Слово плохо выговариваемое, но атомам это безразлично, у них свой язык. И этот язык до сих пор не расшифрован. Может быть атомы плохо слышат, поэтому чтобы сделать какое-то сообщение своему соседу, пытаются приблизиться к нему и прокричать на ухо. А может хотят получше разглядеть друг друга, но для нас все атомы на одно лицо. Так или иначе они не прекращают свои телодвижения ни днем, ни ночью.

Колебания кристаллической решетки один из основных видов внутренних движений твёрдого тела.

Упругие волны рассматриваются как распространение неких квазичастиц – фононов.

В данной работе я не касаюсь теории теплоемкости кристаллических тел (квантование колебательной энергии), разработанной Эйнштейном и, впоследствии, усовершенствованной Дебаем. Данная теория описана во всех учебниках по физике твердого тела.

Моя задача показать физику колебательных процессов в кристаллах и переноса ее в виде импульсов от атома к атому.

Для того чтобы это сделать необходимо вкратце описать сущность переноса энергии в современной физике. Для этого придется разобраться с фононом.

 

Фонон

 

Чтобы как-то объяснить вечный танец атомов нужна энергия, которую кто-то должен переносить, тогда ученые исхитрились и придумали некую виртуальную квазичастицу и назвали – фонон. Наделили ее энергией и импульсом, квантом упругих колебаний, считая, что для переноса энергии эта частица вполне может подойти. После чего внутреннюю энергию кристалла можно рассматривать как суммарную энергию движущихся фононов (квазичастиц).

Фонон (phone – от греч. звук), квант колебаний кристаллической решетки. Термин введен И. Таммом по аналогии с фотоном, квантом электромагнитного поля.

В Большом толковом словаре современного русского языка Д.Н. Ушакова, читаем: quasi (лат.) - яко бы, как будто. Первая часть сложных слов, имеющих значение мнимый, ненастоящий. А в некоторых изданиях трактуется как ложный.

Я, в свою очередь лишь констатирую, что такой частицы как фонон с ее квазиимпульсом не существует. Это действительно мнимое понятие.

Приведу цитату  [27]:  «Фонон во многих отношениях ведет себя так, как если бы он был частицей с энергией и импульсом. Однако в отличие от обычных частиц (электронов, протонов, фотонов и т.п.) фонон не может возникнуть в вакууме – для своего возникновения и существования фонон нуждается в некоторой среде. Подобного рода частицы называются  квазичастицами. Таким образом, фонон является квазичастицей.

Импульс фонона обладает своеобразными свойствами. При взаимодействии фононов друг с другом их импульс может дискретными порциями передаваться кристаллической решетке, и, следовательно, не сохраняется. В связи с этим (p) в случае фононов называют не импульсом, а квазиимпульсом». (Конец цитаты).

p = ћk = ћω/v

k – волновое число, соответствующее колебанию частоты ?

v– скорость упругих волн в кристалле.

Сравните с импульсом фотона pf = /c.

Должен прокомментировать вышеприведенную цитату, т.к. в литературе сплошь и рядом такие высказывания повторяются.

Первое. В природе энергию и импульс переносят электромагнитные волны (фотоны), в том числе инфракрасного диапазона – крафоны (красные фотоны),  которые присутствуют в любом теле (решетке) при комнатной и другой температуре. Крафоны перераспределяют тепловую энергию не только внутри какого-то тела, но между всеми телами, в том числе переносят ее в вакууме. Крафоны охлаждают всякое вещество или тело, выравнивая их температуру с окружающим пространством.

Второе.  Импульс фонона якобы наделен своеобразными свойствами и может передаваться квантами кристаллической решетке. Должен сказать, что любой импульс электромагнитной волны, также как энергия передается квантами. Теплота квантуется, это доказано экспериментально американскими учеными [44]. Другое дело, что в любом кристалле есть замедление скорости переноса из-за сопротивления (плотности) электромагнитного эфира.

Третье. Что касается «сто­лкновения фононов в кристалле», в интернете есть даже рисунки, показывающие упругие столкновения фононов между собой, которые при желании можно найти.

Как могут столкнуться электромагнитные волны между собой? Это большой вопрос. Что касается упругого столкновения  с атомами ядер, то здесь вероятность прямого попадания также не велика, если учесть, что межатомные промежутки  превосходят в сто тысяч раз размеры ядер. Попасть в такую мишень практически невозможно.

Импульсы в кристалле не передаются с помощью грубого или прямого столкновения, до этого дело не доходит. Все взаимодействия между атомами и крафонами происходят на полевом уровне.

Еще одна фраза из указанного источника [27, т. 5, с. 192]:  «Формально оба представления весьма схожи – и фотоны, и фононы подчиняются одной и той же статистике».

По данному высказыванию хочу еще раз сказать, что фононы это крафоны, т.е. те же фотоны, но с меньшей энергией, поэтому никаких квазичастиц не существует. В природе есть только электромагнитные волны (ЭМВ), при комнатной температуре – это крафоны, которые и переносят импульсы движения. Крафонам не требуется особая среда кристаллического или другого содержания, они распространяются в любой среде, материи или в вакууме.

Крафон

 

Ответы на вопросы, поставленные в начале статьи: атомы в кристаллах раскачивают не мнимые частицы фононы, навечно замкнутые в кристалле, а настоящие – крафоны, с настоящими импульсами.

Крафон своим импульсом воздействует на решетку атома дважды: в момент прилета и в момент отлета (см. статью: «Сила гравитации»). В случае поглощения крафона, атом смещается импульсом навстречу. Отсюда та средняя частота колебаний атомов относительно своего среднего положения колебания около 1013 Гц. Данная частота соответствует инфракрасной области электромагнитного излучения (краснофотонное излучение). Проследим ситуацию на рисунке.

Вы решили провести романтический вечер при свечах. Поставили свечу на стол и зажгли фитиль. Перед этим, при приготовлении ужина, на стол просыпалось несколько крупинок соли. Пока не приступили к ужину, на голодный желудок информация воспринимается лучше и видится глубже, заглянем в кристаллическую решетку одной из крупинок соли.

Там мы увидим похожую картину, представленную на рисунке. Атомы (шарики стального цвета) в кубической решетке соли распределены симметрично по углам данной решетки. Для нас сейчас безразлично, какие это атомы Na или Cl. Оранжевые шарики – это фантомы стальных шариков, в момент, когда атомы отклоняются от своего стационарного состояния. Красные стрелки – это векторы движения крафонов. Синие векторы – это импульсы, вызывающие смещения атомов относительно своего центра.

Свеча довольно хороший источник излучения, с температурой около 1600о С в пламени, посмотрите, как плавится вокруг ее парафин. Фотоны от пламени, как от Солнца разлетаются по всем направлениям и один из них, в момент наблюдения, попал в кристалл соли. При взаимодействии полей атома №1 с фотоном свечи, данный атом получает импульс pнавстречу фотону. Атом смещается влево, занимая условное положение оранжевого фантома. Поскольку фотон свечи обладает достаточной энергией, то он выдергивает из атома один или несколько электронов на более удаленные от ядра орбиты. После проделанной работы его энергия снижается, уменьшается частота, а в момент выхода из влияния поля атома, он снова его дергает, в направлении своего движения импульсом p2. На пути дальнейшего движения фотона свечи встает атом №2. Данный атом идентичен первому, поэтому сценарий повторяется. Единственное отличие состоит в том, что в силу потери части энергии фотона, второй атом на него имеет гораздо большее влияние и поглощает его, но в противоборстве получает импульс p3.  После этого перегретый атом №2 генерирует свой красный фотон (крафон), который устремляется к атому под №5, при этом второй атом получает импульс «придачи» p4, направленный в том же направлении.  Атом №5 поглощает крафон, присланный собратом и также получает встречный импульс p5, который придает ему колебания.

Кроме свечи и собратьев атомы соли колеблют еще в большей степени крафоны земли. На рис. показан один из них, который дергает импульсом p6 атом №9 по вектору вниз. После поглощения данный атом испускает свой крафон, который дергает атом импульсом p7 в сторону атома №11, который также получает встречный импульс p8, заставляя его сместиться на некоторое расстояние.

Учитывая, что крафонов вокруг любого тела огромное количество, то атомы постоянно взаимодействуют с ними и получают колебания, находясь в кристаллической решетке.

Вот так работает генератор, который заставляет атомы вечно колебаться относительно своего центра.

Таким же образом осуществляется и гравитационное взаимодействие между всеми материальными частицами и телами.

Поэтому, именно крафоны являются переносчиками механического импульса между атомами в кристаллической решетке.

Гравитационные импульсы источника и приемника передаются ядрам атомов, после чего они приобретают энергию движения относительно своего центра обитания.

Не нужно изобретать и плодить виртуальные частицы типа фонон, когда есть реальные электромагнитные волны (крафоны-термоны), которые являются переносчиками реальной энергии и импульса.

Краткие выводы.

  1. В природе не существует мнимых, даже квазичастиц, в природе существуют реальные переносчики импульса и энергии – это крафоны.
  2. Взаимодействие крафонов с атомами создает вечное колебание атомов в кристаллической решетке.
  3. С помощью излучения в виде крафонов, нагретое физическое тело избавляется от излишней энергии.

 

Назад  Вперед

2 комментария

  1. Elena:

    Все чаще стала замечать — научным (или научно-популярным — не суть) текстам не хватает логической строгости. Ну, например: «тело излучает энергию» или «тело излучает тепло»? Тепло — это то же самое, что энергия или тепло — «производная» энергии (следствие). Или тепло просто устаревшее название энергии, эдакий научный историзм. Каждый трактует все эти термины как ему хочется, как он сам это понимает. Это создает основу для НЕпонимания, нарушает коммуникацию.
    Еще в школе учебники физики ставили меня в тупик именно этим — неопределенностью понятий и суждений. «Атом излучает энергию» — «Печка излучает тепло». Между двумя этими суждениями — пропасть. И дистанция эта — исторически-временная. Печка «излучала» в 19-ом веке (уж как могла, так и излучала )) ), а атом излучает сейчас — в рамках нашего современного понимания процесса. Современные научные тексты не перебрасывают эти логические мостики, не устанавливают связей настоящего с прошлым, квантового мира с «классическим». Печка так и остается печкой — уютной и теплой, атом так и остается атомом — чужим, непонятным, пугающим. Прошло 150 лет, а в голове учеников так и не сложилось, что и излучение печки, и излучение атома суть одно и то же.

    «В природе энергию переносят электромагнитные волны (фотоны)». А электроны чем заняты? Электроны не переносят? Они же главные посредники (в твердом теле)? Именно электрон делает «излучение», «поглощение»,»ток», «потенциал» тем, что можно фиксировать с помощью классической физики. Не «слови» электрон фотон, не соверши он скачок с уровня Е1 на Е2 и обратно — мы бы так ничего и не узнали о существовании квантового мира. Возникает вопрос — а хорошо ли мы знаем «родной наш» электрон? Мы так привыкли походя бросать — «электроны бегут», «электрон поглощает», «электрон ударяет». Но ТАК ли это? И не в этом ли проблема? В том, что мы «одомашнили» электрон и продолжаем употреблять не те слова?

    Не знаю, понятно ли я изложила.

  2. Gennady Ershov:

    ««В природе энергию переносят электромагнитные волны (фотоны)». А электроны чем заняты? Электроны не переносят? Они же главные посредники (в твердом теле)? Именно электрон делает «излучение», «поглощение»,»ток», «потенциал» тем, что можно фиксировать с помощью классической физики. Не «слови» электрон фотон, не соверши он скачок с уровня Е1 на Е2 и обратно — мы бы так ничего и не узнали о существовании квантового мира. Возникает вопрос — а хорошо ли мы знаем «родной наш» электрон? Мы так привыкли походя бросать — «электроны бегут», «электрон поглощает», «электрон ударяет». Но ТАК ли это? И не в этом ли проблема? В том, что мы «одомашнили» электрон и продолжаем употреблять не те слова?

    Не знаю, понятно ли я изложила».
    ————————————————
    Спасибо, Елена, Вам за комментарий. Изложено понятно и, в основном, правильно.
    Насчет переброски тепла из 19 века в 21-й.
    Эту переброску должны делать учебники, а то что Вы читаете на данном сайте, это пока не учебник, а гипотеза.
    Теперь относительно чем заняты электроны. Электроны – это материальные частицы, из них и других элементов собирается масса. В свою очередь масса – это аккумулятор энергии. То что электроны являются посредниками, это не значит, что они еще и переносят энергию даже на короткие на расстояния. Электрон даже не посредник, он элементарный осциллятор энергии и у него другие задачи.
    Насчет, хорошо или плохо мы знаем электрон – над этим работают целые институты, это нужно адресовать им. У меня задача, хотел сказать скромнее, нет, у меня задача шире. 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ваш комментарий на модерации.