Этюды о симметрии - Синг Дж.Л.
Скачать (прямая ссылка):
большей твердостью. Особенно замечательное свойство металлов - их хорошая
электро- и теплопроводность. Они непрозрачны, и многие
6. О структуре твердых тел
95
важные применения металлов в промышленности связаны с их пластичностью,
т. е. с их способностью разрушаться лишь после значительной деформации1).
Металлы хорошо растворяются в металлах (сплавы), но едва растворимы в
веществах других классов.
в. Валентные кристаллы. К их числу относятся, например, алмаз, кварц,
карборунд.
г. Ионные кристаллы (соли). Они однотипны по своему строению. Для них
характерны высокая теплота испарения и значительные силы сцепления.
Подобно молекулярным кристаллам, они прозрачны, хорошие изоляторы, тверды
и хрупки. Основное различие между молекулярными и ионными кристаллами
состоит в том, что первые образованы нейтральными атомами, а
"кирпичиками", из которых построены соли, служат электрически заряженные
ионы, удерживаемые силами притяжения, действующими между разноименными
зарядами. Вследствие этого соли хорошо растворяются в жидкостях с большой
диэлектрической постоянной (например, в воде), поскольку такие жидкости
сильно ослабляют притяжение между ионами.
Приведенную характеристику четырех классов твердых тел следует понимать в
том же смысле, как принято понимать аналогичную характеристику какого-
нибудь семейства растений в ботанике. Такая классификация не
устанавливает жестких правил, а определяет лишь некий идеал, от которого
реально существующие образцы, особенно сложные соединения, нередко
отклоняются. Кроме того, существует множество твердых тел, занимающих
промежуточное положение между названными четырьмя классами. Иногда внутри
отдельных слоев вещества мы наблюдаем решетку одного типа, в то время как
силы взаимодействия между слоями характерны для кристаллических решеток
другого типа. Встречаются и такие случаи, когда вещество нельзя с
уверенностью отнести ни к одному из четырех классов и оно по своим
свойствам занимает промежуточное положение между двумя (и даже тремя)
классами. Особенно много веществ обладает одновременно свойствами,
присущими валентным и ионным кристаллам.
Все же такие исключения редки. Важность предложенной классификации
становится особенно понятной, если учесть, что инстинктивно мы
подразделяем на четыре названных выше класса все твердые тела
неорганического происхождения, какие
') Именно поэтому кусок металла не разрушится, если его бросить на пол.
Резкий удар о пол вызывает огромные напряжения, под действием которых
металл претерпевает пластическую деформацию, но не разрушается.
Пластическая деформация позволяет металлу играть роль самоамортизатора,
поскольку волна сжатия распространяется по всему металлу за большое
время.
96
I. Симметрии и другие физические проблемы
только попадают нам в руки. Характеристику каждого из четырех классов
можно рассматривать как научное описание физических свойств (теплоты
испарения, твердости, электропроводности, хрупкости и т. д.), которые мы
надеемся обнаружить после осмотра и некоторой обработки у таких веществ,
как твердая углекислота, родий, карборунд, глауберова соль, даже если эти
вещества встречаются нам впервые. С другой стороны, мы совершенно не
знаем, что ожидать от веществ с такими переходными решетками, как у
карбида или даже у графита.
4. Огромные различия между физическими свойствами разных кристаллов
ясно показывают, что силы, удерживающие атомы или молекулы, у всех
четырех классов кристаллов неодинаковы. Чтобы понять происхождение и
природу этих сил, необходимо прежде всего напомнить, как устроены
отдельные атомы и молекулы. Читателям журнала Scientific Monthly это,
наверное, хорошо известно. Лишь недавно на его страницах с блестящим
обзором на тему о строении атомов и молекул выступил проф. Эйринг *). По
Резерфорду, атом состоит прежде всего из тяжелого ядра, в котором
сосредоточен весь положительный заряд и вся масса атома (за исключением ~
1/2000). Центр тяжести атома периодически совпадает с ядром, в силу чего
кружки на фиг. 1 можно рассматривать либо как положения атомов, либо как
положения ядер. Атомное ядро, несмотря на его малые размеры, полно тайн и
загадок. К счастью, для понимания твердого состояния они не имеют
значения. Роль носителей отрицательных зарядов, в точности компенсирующих
положительный заряд ядра нейтрального атома, играют легкие частицы -
электроны. Эти электроны окружают ядро наподобие гигантского облака,
размеры которого в сотни тысяч раз превосходят размеры атомного ядра,
хотя толщина самого облака составляет всего лишь около 0,0000001 мм.
Квантовая механика, созданная около восьми лет назад Гейзенбергом, Шре-
дингером и Дираком, открыла нам точные законы движения электронного
облака. Теперь мы уже в состоянии рассчитать плотность этого облака на
различных расстояниях от ядра. Сравнивая плотность распределения
электронов в различных точках решетки, мы, естественно, надеемся получить
