Частицы, из которых построены твердые тела, движутся
Твердые тела стабильны. Камень - символ неизменности. Но и в твердом теле не прекращается движение атомных и субатомных частиц. Мы уже знаем, что никогда не прекращается движение электронов в атомах и молекулах, даже когда они находятся в основном состоянии.
Понятие "основное состояние", как имеющее наименьшую возможную энергию, применимо и к твердому телу. В основном состоянии его атомы и молекулы не прекращают своего движения. Они колеблются вокруг положений равновесия. Эти колебания называют нулевыми колебаниями, так как происходят даже при нулевой температуре (по абсолютной шкале Кельвина). Нулевые колебания - квантовый эффект: не может частица, обладающая волновыми свойствами, "замереть" в положении равновесия. Это запрещено соотношениями неопределенностей.
Для тяжелых частиц (атомов, молекул) квантовые эффекты значительно меньше, чем для легких электронов, но они есть. Нулевые колебания - пример квантовых эффектов в движении сравнительно тяжелых (по сравнению с электронами) частиц.
Особенно впечатляющий пример - гелий. При атмосферном давлении он остается жидким вплоть до абсолютного нуля - так проявляются квантовые свойства движения его атомов. Чтобы гелий затвердел, его надо подвергнуть давлению более 26 атмосфер. Нулевые колебания - причина того, что гелий не кристаллизуется при нормальном давлении. Если бы он стал кристаллом, амплитуда нулевых колебаний его атомов превысила бы среднее расстояние между атомами. У других веществ так не бывает. Гелий уникален.
Тепловое движение атомных частиц в твердых телах осуществляется в виде колебаний атомов, молекул, ионов - частиц, из которых тело состоит. Частицы, как и в случае нулевых колебаний, колеблются вокруг положений равновесия. Именно эти абстрактные точки - положения равновесия, их расположение строго упорядочено. Если бы можно было сделать мгновенный (буквально!) снимок кристалла, мы убедились бы, что атомы расположены не в точках равновесного положения, а несколько сдвинуты от них - на первый взгляд беспорядочно.
Исследуя строение твердых тел, пренебрегать тепловым движением нельзя. С ростом температуры несколько изменяется размер ячейки кристалла, а благодаря этому и размер всего тела. Это явление называется тепловым расширением. Изменение температуры - причина многих количественных изменений параметров тела. Обычно они происходят плавно: немного изменяется температура, немного меняются характеристики твердого тела - плотность, электрическое сопротивление, твердость.
Но иногда свойства тела изменяются скачком, причем при вполне определенной температуре. Это событие называют фазовым переходом, а температуру, при которой оно произошло, либо температурой фазового перехода, либо критической температурой. Плавление, превращение жидкости в газ, переход металла в сверхпроводящее состояние - примеры фазовых переходов. Критические температуры зависят от давления, от магнитного поля, от концентрации веществ, входящих в тело. Если на осях координат откладывать значение критической температуры как функцию давления, магнитного поля, концентрации, чертеж будет изображать фазовую диаграмму.
При фазовом переходе с кристаллом может произойти одно из двух: либо его структура изменится кардинально, либо произойдет лишь незначительное изменение структуры, однако такое, что приведет к изменению симметрии тела. Иногда в критической точке появляется или исчезает какое-либо характерное свойство: магнетики намагничиваются, сегнетоэлектрики приобретают электрическую поляризацию.
Десятилетия теория критических явлений была дразнящей загадкой физики твердого тела. Во второй половине ХХ века основные черты критических явлений были поняты. Теория критических явлений - одна из глав теории макроскопических явлений, или, как часто говорят, теории конденсированного состояния.
Теория конденсированного состояния - разветвленная наука, использующая весьма сложную экспериментальную технику и не менее сложные теоретические построения. Но, несмотря на непрекращающееся возрастание сложности как теории, так и экспериментальной техники, основные представления о том, из чего построены твердые тела, о структурных единицах макроскопических тел не изменяются.
Теория конденсированного состояния исходит из факта, что тела состоят из молекул, те - из атомов, а атомы - из электронов и атомных ядер - сгустков нуклонов. Теория основывается на понимании поведения коллективов известных, подробно изученных частиц, свойства которых не надо "подгонять" для объяснения макроскопических явлений. А они бывают столь удивительными, что до тех пор, пока природа явления не понята, кажется, что его нельзя объяснить, не снабдив частицы какими-то специальными свойствами.
Один пример - для иллюстрации.
Электрическое сопротивление металлов обусловлено столкновениями электронов на своем пути с микроскопическими препятствиями. И движение электронов под действием электрического поля, и их столкновения описываются либо классической, либо квантовой механикой в зависимости от конкретных условий. Но вот в 1911 году нидерландский физик Г. Камерлиг-Оннес обнаружил, что при критической температуре (при температуре сверхпроводящего перехода) металл теряет сопротивление. Как это может быть? Что произошло? Не изменились ли электроны?
45 лет физики раздумывали над загадочным явлением. Собрали огромный экспериментальный материал. Наконец природа сверхпроводимости в общих чертах была понята. Микроскопическую теорию сверхпроводимости создали три американских физика-теоретика - Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шрифер (Нобелевская премия 1972 года). Оказалось, что с отдельными электронами при переходе в сверхпроводящее состояние ничего не происходит, но они объединяются в пары, и свойства коллектива электронов кардинально меняются. Фазовый переход металла из нормального в сверхпроводящее состояние - свидетельство изменения свойств не каждого электрона, а всего коллектива электронов, которое, в частности, проявляется в исчезновении сопротивления.