Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Асимптотическая кинетика образования объектов с квантовыми свойствами. Монография.pdf
Российский федеральный ядерный центр –
Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики
Э. Э. Лин
АСИМПТОТИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
ОБРАЗОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
С КВАНТОВЫМИ СВОЙСТВАМИ
Монография
Саров
2019
УДК 524.354.6; 530.1; 532; 539.16; 577.3; 593
ББК 22.66; 22.3; 22.365; 22.383; 28.071
Л59
Лин, Э. Э.
Асимптотическая кинетика образования объектов с кванто-
Л59
выми свойствами : монография / Э. Э. Лин. – Саров: ФГУП
«РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019. – 193 с., ил.
ISBN 978-5-9515-0405-0
В книге рассмотрена асимптотика образования объектов
с квантовыми свойствами, различных по физической природе
и пространственным масштабам. Предложенный подход основан на кинетических представлениях об образовании и росте
этих объектов из малых структурных зародышей и на расширенной трактовке принципа неопределенности применительно
к пространству размеров объектов. Приведены результаты проявления принципа абсолютной о
пределенности в расс
матриваемых задачах. Рассмотрены гипотетические объекты, не обнаруженные или широко не известные и не описанные в научной литературе явным образом: а) гигантские ядра с внутриядерным взаимодействием, аналогичным сильному взаимодействию; б) квазикристаллические биологические наночастицы
и мезообъекты, в частности на основе кремнийорганических
за
соединений; в) космические сферы, содержащие не
висимые
группы взаимодействующих вселенных.
Ключевые слова: асимптотический метод, кинетика обра-
зования объектов, квантовые свойства, структурные зародыши,
принцип неопределенности, пространство размеров, субъядерные частицы, ядра, наночастицы, мезокристаллические объекты,
астрофизические и космологические объекты, принцип абсолютной определенности, гипотетические объекты.
УДК 524.354.6; 530.1; 532; 539.16; 577.3; 593
ББК 22.66; 22.3; 22.365; 22.383; 28.071
ISBN 978-5-9515-0405-0 © Лин Э. Э., 2019
© ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019
ВВЕДЕНИЕ
Традиционно физическая кинетика изучает законы протекания
макроскопических процессов, которые возникают при малых отклонениях системы от состояния термодинамического равновесия.
Так называемая феноменологическая кинетика рассматривает законы изменения макроскопических параметров, характеризующих
состояние неравновесных систем.
Вместе с тем при исследованиях микромира, нано- и мезоструктур, астрофизических и космологических объектов возникает ряд
специф
ических проблем, св
язанных с определением пространственной границы между макро- и микромирами (макрофизикой и микрофизикой), а также с определением границ однородности распределения материи в космосе [1–6]. Существенную роль играет вопрос
о границах применимости принципа неопределенности и соответствующих соотношений, описывающих динамику квантовых систем.
Размеры мезоскопических объектов, поведение которых одновременно подчиняетс
я как за
конам квантовой физики, так и законам
макроскопической физики, могут иметь такие значения, при которых
достигается нижний предел сложности макроскопического твердого
тела [1]. Например, фундаментальные соображения и оценки применимости квантовых представлений показывают, что соотношение
неопределенностей «координата – импульс» может выполняться для
тел с размерами порядка 10
–7
м, т. е. на уровне нанометрических
масштабов [2]. В настоящее время исследованию образования, эволюции и свойств наноструктур и материалов на их основе посвящается все больше работ, в которых поведение наноструктурированных объектов описывается с помощью методов молекулярной динамики и статистических моделей, учитывающих как термодинамический, так и кинетический аспекты рассматрив
аемых проблем [3, 7].
К таким проблемам относятся неполнота классического описания
процессов в мезомире и в кристаллических средах и необходимость
формулирования новых, в том числе и феноменологических моде-
4
Асимптотическая кинетика образования…
лей, учитывающих образование квантовых систем [2, 8]; определение закономерностей роста и консолидации наноструктур; определение размерных зависимостей фазовых переходов, в частности установление влияния мезоскопики полиморфных превращений на
синергетику мартенситных структур [9, 10].
В свете сказанного принципиально важно определить общие
черты динамики роста объектов микро- и мезомира. В предлагаемой работе рассматривается кинетика образования различных по
физ
ической прир
оде компактных объектов с сильными внутренними связями и со значительно различающимися пространственными
масштабами: кластеров ядерной материи, а также наноструктурированных мезоскопических структур с ковалентными и квазиковалентными связями между атомами в кристаллической решетке. Для
этих объектов характерно существование чисто квантового эффекта обменного взаимодействия [11]. Так, между нуклонами происходит обмен вирту
ьными мезонами, в кристаллических структу-
ал
рах с ковалентными связями происходит обмен электронами. Наличие эффекта обменного взаимодействия позволяет рассматривать
упомянутые объекты как компактные кластеры с выраженными
коллективными квантовыми свойствами. В случае ядер квантовые
свойства вещества связаны с сильным взаимодействием и проявляются в наличии колебательных и вращательных оболоче
исталлах происходит возбуждение квазичастиц – фононов.
зокр
к. В ме-
Сказанное выше создает предпосылку для рассмотрения кинетики образования изучаемых объектов с единой точки зрения. Будем
рассматривать замкнутые стохастические системы компактных
квантовых кластеров, взаимодействующих друг с другом случайным
образом [12–15]. В соответствии со стандартными представлениями
физической кинетики необратимая агрегация объектов описывается
с помощью понятия вол
f(a, t) плотности распределения кластеров
ны
по размерам a, распространяющейся с течением времени t в сторону
их увеличения. Поведение волнового пакета любой физической природы подчиняется вытекающему из теоремы Фурье универсальному
соотношению для полуширины волнового пакета и полуширины
спектральной линии ∆a·∆k ≥
14 ,
k – волновое число. Отсюда вы-
текает соотношение неопределенностей для координаты и импульса
в пространстве размеров кластеров. Для квантово-механических систем, находящихся в когерентном состоянии (гармонические колеба-
Введение
5
ния), записанное выше произведение принимает минимальное значение, соотношение неопределенностей выполняется в виде точного
равенства, а траектория процесса в фазовом пространстве является
классической [16]. Это означает возможность рассмотрения сравнительно крупных объектов, размеры которых превосходят величины,
соответствующие достижению нижнего предела сложности макроскопического твердого тела. Таким образом, предлагаемый феноменологический подход описывает предельну
ю, асимп
тотическую ста-
дию процесса роста кластеров.
Необходимо отметить, что предлагаемый феноменологический метод ни в коей мере не может заменить собой разработанные
фундаментальные методы исследований и физические модели динамики явлений микромира и мезомира (см., например, [17–22]).
С другой стороны, хорошо известно, что «при взаимодействии
с внешним миром физические объекты никогда не раскр
ывают в
есь
свой внутренний потенциал сложности. Соответственно, неполное
или даже феноменологическое описание физических явлений или
физических объектов иногда лучше отвечает и сути дела, и пониманию того, что происходит» [2].
Например, при решении кинетических уравнений, как правило, вводятся подгоночные параметры, которые определяются с помощью экспериментов. При планировании же э
выми или мало изу
ченными объектами возникает необходимость
кспериментов с но-
проведения предварительных оценок конечных размерных и временных характеристик исследуемых процессов, т. е. определения
зависимости между характерным размером объектов и временем их
роста. В свете этого предлагаемые качественные модели могут оказаться полезными при знакомстве с той или иной задачей, проведении оценок и первич
ном анализе рез
ультатов экспериментов. Например, при изучении кластерной радиоактивности [23] данный метод позволяет определить спектр наиболее вероятных массовых чисел сравнительно легких нуклонных кластеров, образующихся внутри тяжелых ядер [13, 14, 24]. Также метод позволяет определить
среднее и максимальное массовые числа сверхтяжелых ядер, образующихся внутри сверхновых звезд, и массов
щие «пикам» распространенности элементов в Галактике, най-
вую
ые числа, соответст-
денным путем численных расчетов [25]. Можно получить оценки
времени образования и характерного размера нейтронных звезд при
6
Асимптотическая кинетика образования…
сжатии сверхновых. В области мезоскопики данный подход справедлив и достаточно эффективен для веществ с выраженными сильными межатомными связями: углеродных наноструктур с ковалентными связями [3], а также для наноструктурированных частиц легких актиноидов с сильным сближением атомов [26]. В рамках этого
подхода удается описать имеющиеся данные по синтезу алмазов
и углеродных нанотр
убок, а такж
е известные результаты по фазовой
стабильности и полиморфным превращениям плутония [15].
В то же время подавляющее большинство работ по мезоскопике
и нанопроблематике направлено на изучение поведения широкого
спектра веществ, обладающих различными типами внутренних связей
и разнообразными физико-химическими свойствами [3, 4, 10, 27, 28].
Однако при сжатии веществ до высокого давления расстояние между
атомами значительно у
ньшается и связи становятся более силь-
ме
ными. В этом случае предлагаемый асимптотический метод имеет
«право на жизнь». Это показано на примере определения ширины
детонационной зоны в твердом взрывчатом веществе (ВВ), рассматриваемой как возбужденная квантово-механическая система, находящаяся в когерентном состоянии [29]. В качестве другого примера
рассматривается «ударная» рекристаллизация алюминиевого сплав
при коллекти
вном воздействии твердых тел [15].
а
Одним из актуальных направлений нанонауки и нанотехнологии является создание и исследование биологических материалов,
в частности исследование физических механизмов биосинтеза белка
[3, 30, 31]. В соответствии с результатами исследований общепринятая схема построения белков выглядит таким образом, что из наноцепей с пептидными C–N связями (первичные структуры) в ре
тате скруч
иваний и взаимного расположения различных полипепти-
зуль-
дов в присутствии молекул нуклеиновых кислот образуется объемно-упакованная наночастица, представляющая собой апериодический кристалл. Вместе с тем в [31] отмечена возможность того, «что
приведенная схема не исчерпывает всех путей биосинтеза белков».
Поэтому необходимо отметить квантовую природу биофизических
процессов, благодаря которой «главные особенности физ
поведения макромолеку
л определяются поворотной изомерией»,
ического
поскольку вещество рассматривается как динамическая смесь молекул аминокислот, находящихся в скрещенной конформации и в конформациях, повернутых вправо и влево [30]. Поскольку за время по-
Введение
ворота порядка 10
тотами порядка 10
–10
с происходят сотни и тысячи колебаний с час-
12
–1013 с–1 [30], приводящих к образованию связей
7
между молекулами, то в результате колебательно-вращательных
взаимодействий может осуществляться объемная поликонденсация
молекул аминокислот. Затравочными центрами поликонденсации
могут являться молекулы нуклеиновых кислот, около которых группируются молекулы аминокислот в определенном порядке, задаваемом предпочтительным образованием в объеме системы C–N связей
как наиболее коротких и прочных по сравнению со с
O. (Длина связи C–N r = 0,1339 нм, длина связи C–C r = 0,145 нм,
и C–
вязями C–C
длина связи C–O r = 0,1426 нм [32].) В данной работе на основе предложенного асимптотического метода исследования кинетики образования объектов с квантовыми свойствами рассматривается схема прямого синтеза объемных белковых наночастиц в системе, предварительно состоящей из молекул аминокислот с добавками нуклеиновых
ки
слот. Обра
зование белковых наночастиц без стадии формирования
полипептидных наноцепей представляется возможным благодаря фононным возбуждениям молекул во всем объеме.
Одной из проблем космологии является определение пространственных границ, соответствующих однородности и изотропности Вселенной, т. е. так называемому Космологическому принципу [5, 6, 33]. Последнее означает, что из-за недостаточно большого времени действия г
равитации возмущ
ения распределения материи на ранних стадиях формирования космологических структур
не влияют на среднюю плотность вещества в современном космосе,
а «сильные неоднородности и пустоты заканчиваются на некотором большом, хотя до сих пор и неизвестном расстоянии» [33].
Другая проблема состоит в том, является ли космос бесконечным
или конечным (замкнутым) и гд
е граница за
мкнутого космического
пространства [5, 33]?
В соответствии с представлениями [6] о крупномасштабной
структуре Вселенной как о неоднородном распределении материи,
возникающем из растущих адиабатических возмущений плотности,
различают развитую нелинейную структуру в масштабах менее
10 мегапарсек (Мпк) (гало галактик, группы и скопления) и более
регулярное квазилинейное распределение вещества в масштабах до
сотен мегапарсек – сверхскопления и ко
смологические «пустоты».
Отмечается, что в современную эпоху еще продолжается неразру-
8
Асимптотическая кинетика образования…
шенное квазихаббловское течение материи, которое уже искажено
квантово-гравитационными неустойчивостями. В работе [34] предпринята попытка качественного рассмотрения упомянутых проблем.
С этой целью предлагается расширенная трактовка принципа неопределенности в космических масштабах. Это позволяет в приближении сферической симметрии евклидовой геометрии получить асимптотические зависимости характерных размеров астрофизических
и космологических объектов от вре
мени. В качест
ве таких объектов
рассматриваются шаровые звездные скопления, сверхскопления галактик и собственно Вселенная. Постулируется существование групп
взаимодействующих вселенных, рассматривается вопрос о размере
космической сферы, содержащей в себе множество таких групп.
Данная монография представляет собой обобщение полученных автором результатов. В главе 1 представлен общий кинетический подход, основанный на уравнении Фокке
ра – Пл
анка (УФП)
[35], записанном для пространства размеров кластеров [12, 15].
Глава 2 посвящена субатомным и субъядерным объектам. Верификация предложенного в главе 1 формализма осуществляется на
примере так называемых жестких процессов лобовых столкновений элементарных частиц. Установленное соответствие с общеизвестными представлениями о таких процессах позволило применить данный формализм для описания внутриядерных процессов
приближения к равновес
ию, занимающих проме
жуточное положение между прямыми ядерными реакциями и процессами образования промежуточного составного ядра. Рассчитаны наиболее вероятные массовые числа кластеров-нуклидов во всем диапазоне,
включая трансфермиевые элементы [13, 14]. Определены среднее
массовое число сверхтяжелых ядер в звездах и характерные массовые числа распространенности элементов во Вселенной. Аналитически опр
лено время формирования распространенности эле-
еде
ментов, а также характерный размер нейтронных звезд. Формально
установлены границы существования экзотических ядер в звездах.
В целом главу 2 можно рассматривать как тестирование разработанного формализма на описании процессов в микромире.
Основная часть монографии – глава 3, где представлены результаты аналитического определения размерных и временных характеристик об
разования и роста нанострук
турированных мезоско-
пических объектов, проявляющих коллективные квантовые свойст-
Введение
ва (фононные возбуждения). В едином ключе описаны процессы
образования и роста наноалмазов в детонационной волне в твердом
ВВ, ударно-индуцированной коалесценции наноалмазов, а также
синтеза алмазов при умеренных температурах традиционных методов статического и динамического синтеза из различных твердых
форм углерода [36]. Предложена модель образования и роста алмазных частиц при экстремально вы
соких значениях температу
ры,
достигаемых в процессах кавитации [37]. Рассмотрены фазовые
превращения плутония в мезоскопических масштабах как процессы
образования и роста наночастиц [38]. Выведено выражение для
ширины детонационной зоны в твердом ВВ, свободное от кинематических параметров. На основе асимптотического метода исследования кинетики образования объектов с квантовыми свойствами
рассматривается схема прямого образования объемных бе
наночастиц
в системе, предварительно состоящей из молекул ами-
лковых
нокислот. Предложенная модель формально дает расчетные размеры биологических нанообъектов, соответствующие характерным
размерам известных белков. Кроме того, модель определяет мезоскопический диапазон размеров, охватывающий характерные размеры клеток и простейших организмов (архей).
В главе 4 показано, что предложенный феноменологический
подход, основанный на сочетании при
нципа неопределенности
в космических масштабах и Космологического принципа, дает возмож
ность адекватного определения границ однородности распределения материи в космосе. Разработанный метод позволяет адекватно
рассчитывать характерные размеры шаровых скоплений звезд
и сверхскоплений галактик. Это создает основу для оценок характерных размеров вселенных и космической сферы, содержащей
множество независимых групп взаимодействующих в
В глав
е 5 обсуждаются результаты работы и рассматриваются
селенных [34].
перспективы их дальнейшего развития. Приводятся результаты
применения принципа абсолютной определенности [39] в задачах
кинетики образования объектов. Рассматриваются некоторые гипотетические объекты.
В заключении делается вывод о том, что разработанный единый асимптотический метод исследования кинетики формирования
структур с квантовыми свойствами позволяет адекватно определять хара
ктерис
тики процессов образования субатомных и субъ-
9
10
Асимптотическая кинетика образования…
ядерных объектов, наноструктурированных мезоскопических объектов, а также астрофизических и космологических объектов.
В приложении 1 приведена сводная таблица наиболее вероятных
массовых чисел кластеров-нуклидов, в приложении 2 – краткая сводка
основных результатов работы, а также проведено сопоставление проявлений принципов неопределенности и абсолютной определенности
в рассматриваемых процессах приближения к равновесию.
В монографии уточнены и расшир
работы [40].
ления
ены результаты и представ-