Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Сказанное в общих чертах верно и для теплоёмкости жидкостей, молекулярные связи в которых возникают и рвутся беспорядочно (§ 4.14). Но и здесь молекулы при соединении могут образовывать сравнительно жёсткие кластеры, "мерцающие", "пульсирующие" микрокристаллы, обнаруженные с помощью рентгенографии, например, — в воде [138]. С повышением температуры процент таких кристаллов уменьшается от разрыва жёстких связей, отчего, по примеру твёрдых тел, теплоёмкость почти всех жидкостей растёт при нагревании, за счёт роста числа независимых частиц и приходящихся на их долю степеней свободы.
Итак, видим, что классическая молекулярно-кинетическая теория объясняет все особенности поведения твёрдых тел, жидкостей и газов, молекул, атомов и ядер. И, более того, классика открывает гораздо более тонкие градации между агрегатными состояниями вещества. Слишком легко уступили учёные давлению модного квантового течения, даже не попробовав истолковать эффекты в рамках классической физики. Кризис физики начала XX в. возник не от классической картины явлений, а от неудачных, неточных моделей, особенно, — моделей атомов и молекул. Большей частью эти модели страдали идеализацией, грубым упрощением. Они описывали предельные случаи и не учитывали ряд атомных свойств и взаимодействий, важных при низких температурах. Если учесть все эти скрытые механизмы, то любые явления удаётся истолковать, применяя классические модели. И самая удачная из них — бипирамидально-сеточная кристалломагнитная модель атома Ритца.
§ 4.17 Неквантовая теория проводимости
Этот тончайший огонь из огней существующих в мире,
Сделан природою весь из мельчайших и самых подвижных
Тел, для которых ничто не в силах поставить преграды.
Даже сквозь стены домов проникают могучие молньи…
Внутрь проникает она и проходит по пористым ходам,
Без промедленья скользя и немного встречая препятствий…
Не причиняя вреда, она много предметов пронзает,
Ибо текучим огнём без ущерба сквозь поры проходит.
Много и рушит она, коль столкнётся своими телами
Прямо с телами вещей, где тела эти связь образуют.
Далее, молния медь распускает и золото сразу
Плавит легко потому, что сама из до крайности мелких
Тел основных состоит да и гладких притом элементов.
Это кажется невероятным, но, ещё за две тысячи лет до нас, люди догадались не только об атомах материи и света (реонах), но и об атомах электричества (электронах), стремительным движением которых, как поняли античные учёные-атомисты, вызван разряд молнии. Осознав, что любые тела не являются сплошными, а представляют собой соединения атомов, между которыми достаточно пустого пространства, пор, эти учёные построили и первую теорию проводимости, указав, что мельчайшие частицы молнии (электроны) легко проходят сквозь эти поры металлов, создавая электрический ток и ведя к нагреву металла — от столкновений электронов с атомами. Лукреций догадался, что те же частицы-электроны, что создают ток, образуют и связи атомов (§ 4.14). Это была первая механическая классическая теория проводимости. И, всё же, этот, сильно опередивший время, прогрессивный взгляд на вещи, выработанный ещё Демокритом, Эпикуром и Лукрецием, ныне предан забвению вместе с классической теорией проводимости Друде, поскольку пока общепринята квантовая теория проводимости.
В настоящее время считают, что только квантовыми законами можно объяснить электрическую проводимость металлов. А, между тем, впервые именно классическая теория проводимости Друде позволила объяснить природу электропроводности, электросопротивления и многие их особенности. Казалось бы, уж что проще и классичней электрического сопротивления? Закон Ома, резисторы, электрические потери в проводах и выделение тепла нагревательными приборами, — со всем этим мы знакомы с детства. Однако теоретики нагнали столько тумана в это интуитивно всем ясное явление сопротивления, что и его природа стала тайной за семью печатями. Случилось это, когда сопротивление отнесли к квантовым явлениям, которые уже нельзя представить наглядно, а можно лишь описать формулами, отрёкшись от здравого смысла и приняв на веру догматы квантовой механики. Однако, наглядный классический подход отнюдь не исчерпал себя, а, зачастую, — даже лучше объясняет загадки сопротивления, чем квантовая механика и зонная квантовая теория металлов Зоммерфельда.
Рис. 176. Подобие силы тока I и расхода газа Q через фильтр, а также электрического R и гидродинамического X сопротивлений.
Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов, — течение своего рода электронного газа, в котором роль атомов играют электроны. Подобно тому, как обычные газы испытывают сопротивление от движения по трубопроводу, так и электронный газ, протекая по проводнику, тормозится им. То есть, возникает электросопротивление, микроскопическая картина которого подобна той, что существует в газе. Атомы газа, сталкиваясь друг с другом и с атомами стенок трубопровода, усиливают их колебания, расходуя на это часть своей кинетической энергии. Это и вызывает сопротивление току газа и соответствующий нагрев трубопровода, ибо рост колебаний атомов означает рост температуры. Вполне естественно, что долгое время так же объясняли и электросопротивление с нагревом проводов.
Рис. 177. Вязкость газа при снижении температуры T падает до нуля, равно как сопротивление металла, пропорциональное вязкости электронного газа.
Электроны, набрав в электрическом поле скорость, то и дело теряют часть её в столкновениях с ионами металла, усиливая их колебания. Так создаётся электросопротивление и выделяется джоулево тепло от идущего тока (§ 4.17). Не зря, электроток в проводнике издавна сравнивали с потоком газа, текущего через трубку-фильтр, отсюда и сами термины: "электрический ток", "напряжение", "источник тока" (Рис. 176). Ещё Франклин сравнивал металл с пористой губкой, сквозь которую просачивается электрическая материя, частицы которой (электроны) учёный сравнивал с атомами воздуха. Расход газа через такой трубопровод подчиняется в точности тем же законам, что и ток в проводнике, — он пропорционален напору, то есть, — разности давлений p1-p2 (разности потенциалов φ1-φ2, равной напряжению U), площади сечения S фильтра-провода и обратно пропорционален его длине L. Удельное же сопротивление такой трубы, как у металла, растёт с повышением температуры (Рис. 177). Соединяя трубы, можно моделировать и разветвлённые электросети (Рис. 178).
Рис. 178. Общее сопротивление двух резисторов можно найти так же, как сопротивление двух параллельных фильтров. Потоки разделяются и замедляются в соответствии с сопротивлениями, а затем вновь соединяются.
Но современные учёные отвергают это простое и наглядное объяснение сопротивления проводников. По их мнению, сопротивление связано с рассеянием электронов на фононах — вымышленных квантовых возбуждениях кристаллической решётки металла [32]. После абсурдных фотонов, — квантов света, такие физики как И.Е. Тамм, выдумали фононы, — кванты звука, квазичастицы упругих колебаний. Учёные сочли, что упорядоченная кристаллическая решётка металлов в идеале вообще не оказывает сопротивления движению электронов. Однако, атомы примесей, дефекты и тепловые колебания кристаллической решётки нарушают её идеальность. И, чем сильней искажена решётка металла, тем хуже он проводит ток. Именно этим в квантовой физике объясняют температурный рост сопротивления металлов и его заметную прибавку при введении даже ничтожной примеси. Полагали, что такое объяснение сопротивления — много лучше классического. На самом же деле, как раз квантовое объяснение не выдерживает критики.
Ведь, по квантовой теории расплавленные металлы, у которых полностью разрушена кристаллическая решётка, вообще не могли бы проводить ток. А, между тем, они пропускают электроток почти так же хорошо, как твёрдые, кристаллические. Скажем, жидкая ртуть, которую мы обычно наблюдаем при температуре на 60 градусов выше точки её плавления, была бы, по квантовой теории, изолятором. Однако, удельной электропроводностью она не слишком уступает другим металлам (например, свинцу — лишь в 5 раз), а, такие металлы как висмут, — даже превосходит. Да и меняется при нагреве сопротивление жидкой ртути совсем как у твёрдых металлов: монотонно нарастает.
Даже сами учёные считают, что, если жидкий металл проводит ток, то, по квантовой теории, механизм проводимости был бы совсем иным, а проводимость получалась бы гораздо ниже. А, между тем, тот факт, что проводимость сохраняет в расплаве такой же порядок величины, как в кристаллическом состоянии, — доказывает, что механизм проводимости в жидком металле тот же, что и в твёрдом. В том же ключе интересно рассмотреть проводимость растворов и расплавов электролитов, скажем, — обычной поваренной соли. В этом случае, переносчиками заряда окажутся уже не электроны, а — ионы хлора и натрия. При этом, для объяснения проводимости электролитов и выделения в них тепла, учёные пользуются классическим законом и объяснением, хотя, казалось бы, всё, что изменилось, — это только тип носителя заряда. Проводимость электролита определяется его вязкостью и подвижностью ионов. Поэтому, выполняется всё тот же закон: электросопротивление пропорционально расстоянию между электродами и обратно пропорционально площади сечения трубки, наполненной электролитом. Однако, в противоположность электронному газу, вязкость электролитов, как у любой жидкости, падает с ростом температуры [64]. Соответственно, и сопротивление электролитов при нагреве не увеличивается, как у металлов, а падает. Используя для одинаковых, по своей сути, явлений проводимости металлов и электролитов разные теории, учёные ведут двойную игру. Уже отсюда должно быть ясно, что применение квантового подхода — не обязательно и, даже, вредно. Но вернёмся к расплавам металлов.
