belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 131
Текст из файла (страница 131)
Рассмотрим, каковы оказываются типичные параметры экстремальных состояний в природе. В центре Земли давление достигает около 4000 атм, плотность --. 10-.20 г/смз, температура около 5000 К ( 0,5 эВ). Однако в центре Солнца мы уже имеем дело с давлением около 10" атм, плотностью 100 г/смз, температурой около 109 эВ. Давления, доходящие до 10'9 атм, и плотность до 10 г/см реализуются в остываюгцих звездах — — белых карли- 9 . 3 ках.
Рекордные экстремальные условия, по-видимому, достигаются в пульсарах, в сердцевине которых давление должно достигать 10~~ атм при плотности 10 г/см' и температуре 10 эВ, а в мантии . соответственно ы з 1029 атм, 10'4 г/смз, 10 эВ. Для сравнения укажем, что плотность ядерной материи составляет 3 10ы г7'см . с1то же достигнуто сейчас в лабораторных условиях? Статический метод получения высоких давлений, основанный на применении специальных механических устройств, дает возможность получать давления не более 1000 атм. Одновремешю со сжатием может бьггь осуществлено нагревапие до температуры порядка 0,1 эВ. Динамические методы, основанные на использовании мощных ударных волн взрыва, дают возможность доходить до давлений в несколько тысяч атмосфер, температура при этом достигает величины 1 — 10 эВ.
Методы, которые можно использовать для получения высоких температур, более разнообразны: это мощный разряд в плазме, резонансный разогрев электромагнитным полем, инжекция в плазму предварительно ускоренных сгустков, разогрев с помощью лазеров и др. Диапазон достижимых температур превышает 104 эВ (10" К). Теперь обратимся к вопросу о том, что происходит с веществом по мере повьппспия давления и температуры. При относительно низких давлениях и температурах вещество продолжает проявлять то исключительное многообразие своих форм, которое присуще ему в холодном состоянии.
Соответственно, характеристики вещества остаются весьма резкими и немонотопными функциями его состава. Однако с ростом давления и температуры вещество приобретает все более универсальную структуру, а его характеристики становятся все более гладкими функциями состава вещества. Эта явно 484 ГЛ. 12. ЗЛКЛК)ЧЕНИЕ выраженная тенденция связана с тем, что, благодаря увеличению внутренней энергии вещества, становится возможным определенное упорядочение и «упрощение» его структуры. Молекулы или молекулярные комплексы с ростом давления или температуры разрушаются и вещество переходит в чисто атомарное состояние.
Электронные оболочки агомов перестраиваются, приобретая все болео регулярное заполнение уровней. Одновременно происходит отрыв наружных электронов, определяющих химическую индивидуальность вещества. Наконец, если в процессе сжатия и нагревания вещество остается в твердом состоянии, то упорядочивается и его кристаллическая решетка. Проходя через серию структурных превращений, она становится все более плотно упакованной и приобретает в конечном счете единую для всех веществ объемно-центрированную кубическую структуру.
Такая «универсализация» свойств вещества возникает, когда прирост его энергии в результате сжатия или нагревания становится больше характерных энергий упомянутых выше перестроек. По порядку величины эти энергии, в расчете на одну частицу, не превышают энергии наружных электронов атома «2/ав 10 эВ, где ав = 62/(ьч«2) боровский радиус электрона; соответствующая плотность энергии порядка е2/а~~ 10'4 эрг/смз.
Поэтому нижняя граница области универсального состояния вещества соответствует температуре порядка 10 эВ и давлению порядка 10' атм. Таким образом, реализуемые в лабораторном эксперименте условия в целом еще недостаточно экстремальны для перехода вещества в универсальное состояние, и наши представлении о свойствах вещества в экстремальной области основываются главным образом на теоретических соображениях, которые пока что могут быть подтверждены экспериментально лишь в незначительной степени. Что же происходит с электронами вещества по мере повышения давления и температуры? Пока вещество находится в обычной электронно-ядерной форме, многие из его свойств определяются в основном электронами наиболее легкими структурными единицами вещества. Когда мы переходим через границу универсального состояния вещества, наружные электроны его атомов оказываются полностью обобществленными.
Любое вещество, остающееся при таком переходе в твердом состоянии, обладает металлическими свойствами. На языке зонной теории «металлизация» вещества связана с уширением энергетических зон. в результате чего уровень Ферми электронов в конце копцов неизбежно попадает внутрь разрешенной зоны.
Если же вещество находится в газообразно-жидком состоянии, то оно при повышении давления и температуры переходит в плазменное состояние. Обобществляются вначале только наружные электроны, а остальные продолжают оставаться в связанном состоянии 1это, конечно, относится к электронам атомов с не слишком малым значением 7).
По мере увеличения давления и температуры все большая часть электронов начинает терять связь с ядром. Наиболее сильно связанные с ядром ближайшие к нему электроны имеют энергию связи порядка Я е /аш а обьем, в котором они локализова- 2 2 ны, порядка 2 ' ад. Эти электроны коллективизируются при температуре порядка 72 10 эВ или давлении порядка 72 102 Мбар. В результате вещество превращается либо в полностью ионизованную электронно-ядерную плазму, либо в идеальный металл, решетка которого построена из «голых» ядер.
12.7. ВЕЩЕСТВО В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ Что можно сказать о состоянии электронов в известных нам объектах? Электроны в центральной части Солнца образуют нерелятивистский электронный газ, который можно считать классическим, хотя и не очень далеким от вырождения. Атомы водорода, составляющие преобладающую компоненту вещества Солнца, полностью ионизованы, а атомы более тяжелых элементов могут сохранять еще некоторую долю электронов.
В центральной части белых карликов электронный газ идеален и вырожден, заметную роль играют релятивистские эффекты. Вещество в этих условиях состоит из электронов и «голых» ядер. То же относится и к веществу в сердцевине пульсаров, где электронный газ может считаться ультарелятивистским. Теперь обратимся к состоянию ядерной компоненты вещества. От состояния ядерной подсистемы зависят ответы на два важных вопроса — об агрегатном состоянии вещества и о характере протекания ядерных процессов. При высоких температурах, когда тепловая энергия велика по сравнению с кулоновской, вещество 74редставляет собой плазму, близкую по своим свойствам к идеальному газу. По мере уменыпения температуры или роста давления (последнее ведет к уменыпепию среднего расстояния между ядрами) роль кулоновского взаимодействия между ядрами возрастает (это, конечно, зависит и от концентрации вещества).
По этой причине энергетически выгодным оказывается упорядочение ядерной подсистемы --. переход вещества в кристаллическое состояние, в которое переходит практически любое вещество при низких температурах. Когда температура или давление становятся достаточно большими, в веществах в заметных масштабах начинают происходить экзотсрмичоские (идущие с выделением тепла) ядерные превращения, которые мы рассматривали вьппе, обсуждая вопрос о происхождении элементов.
Важность этих процессов, не говоря уже о термоядерном синтезе в земных условиях, определяется тем, что опи служат основным источником энергии звезд (в том числе Солнца), представляют собой существенный фактор эволюции небесных тел и, пакопеп, формирук7т химический состав вещества во Вселенной. Характерными примерами экзотермических реакций могут служить превращения 4Н вЂ” 7 Не и 34Не 4 щС. Хотя рассматриваемые реакции и идут с выделением энергии, для их протекания с заметной скоростью необходимо, чтобы впошнис условия были в достаточной степени экстремальными. Это нужно для преодоления кулоновского барьера, препятствующего сближению ядер-реагентов.
При нагревании вещества проницаемость барьера растет в результате увеличения относительной энергии реагентов, при сжатии — в результате искажения (сужения) самого барьера. Хотя рассматриваемые реакции и не имеют порога в точном смысле этого слова, заметный выход реакции возникает лишь при достаточно высоких плотностях или температурах. Для водородной реакции это Т 10з — 10з эВ или р 104 — 10' г/смз, для гелиевой реакции температура повышается до 104 эВ. При достаточно высоких температурах и давлениях должны возникать и новые формы вещества.
Так, например, при высоких температурах появляется равновесное тепловое излучение как отдельная компонента вегцества, вносящая заметный вклад в его энергию, давление и т. и. Возможны также рождение электронно-позитронных пар и возникновение позитронного 486 Гл.
пь заключение компонента вещества. При более высоких энергиях возможно рождение мюонных, бариошпих и других пар. Важнейшим типом превращения является и нейтронизация вещества, т. е. захват ядром электрона с превращением внутриядерного протона в нейтрон. Поскольку исходное ядро считается стабильным, а возникающее нейтронпоизбыточпое ядро имеет более высокую энергию, процесс нейтронизации имеет порог .Л Мс' = (, ',М вЂ” М) с'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
