Репортаж из XXI века
Шрифт:
Кажется, ничто не меняется в веществе, на которое действуют давлением. Однако это не так. Соотношения между объемом, давлением и температурой вещества были понятны и казались простыми лишь до тех пор, пока давления оставались небольшими. По мере того как физики получали все более высокие давления, открывались новые, часто совершенно неожиданные явления. При высоких давлениях, например, наступает момент, когда вопреки всем ожиданиям объем вещества сам собой вдруг уменьшается. Резким скачком возрастает электрическая проводимость. Диэлектрики начинают вести себя как металлы. Теллур при атмосферном давлении имеет одну проводимость, а при давлении в 30 тысяч атмосфер проводимость его возрастает в 600 раз. Сняв высокое давление, оказывается, не всегда можно вернуть веществу
Академик П. Капица однажды сказал, что для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это правильно, потому что, исследуя отклонения, физики обычно и открывают новые закономерности.
В физике высоких давлений нас интересуют прежде всего таинственные скачки, изменения свойств вещества, происходящие под давлением, — в первую очередь в твердых веществах, кристаллах.
По формуле так называемого уравнения состояния вещества можно легко и быстро подсчитать, какой объем будет занимать металл цезий, скажем, при 10 тысячах атмосфер и обычной температуре. Но вот мы начинаем сжатие: 5 тысяч, 6 тысяч, 7 тысяч атмосфер… Все идет так, как предсказывала формула. И вдруг на 8 тысячах атмосфер объем металла резким скачком уменьшается на 7 процентов. Что случилось?
Рентгенографический метод измерения сжимаемости монокристалла. разработанный советскими учеными, показывает, что дело здесь вовсе не в изменении кристаллической решетки цезия. Она сохранилась. Что-то произошло с электронными оболочками атомов цезия. Что именно?
Начав сжатие, мы заставили атомы уплотниться. Давление заставило их сблизиться. Электронные оболочки соседних атомов стали перекрываться, теснить друг друга. Наружный электрон каждого атома, словно искусственный спутник, потерявший скорость, резко снизился со своей наружной орбиты на внутреннюю, незаполненную орбиту. Равновесие электронной структуры атомов восстановилось, но зато объем их при этом стал меньше. Вот в чем, оказывается, заключается причина поразившего всех скачка.
Как же ведут себя электроны при дальнейшем сжатии?
Мы уже заметили, что внешний электрон (так называемый валентный) сошел со своей орбиты вглубь. Различие между валентными и другими электронами в атомах исчезает. Электронные оболочки под давлением извне сливаются воедино, происходит их «коллективизация». Как показал в своей работе советский ученый Ю. Н. Рябинин, электроны сплетаются так, что почти перестают «чувствовать» своего хозяина. Но в то же время они стремятся оттолкнуть друг друга, потому что заряд у них одноименный, Так с повышением давления создаются условия для появления все большего количества свободных электронов. Этим и объясняется тот факт, что электрическая проводимость появляется даже у тех веществ, которые в обычных условиях тока не проводят.
Ну, а если бы удалось поднять давление до десятков миллионов атмосфер? Тогда электронные оболочки всех атомов были бы полностью раздавлены и ядра атомов погружены в общую электронную плазму.
Есть у физиков основной, главный критерий для любого материала. Они прежде всего хотят знать, как он ведет себя во время сдвига, при кручении, растяжении. Мы взяли графит, мягкое вещество, которое часто используется в качестве смазки, и под давлением в 60 тысяч атмосфер попробовали повернуть его. Прибор показал напряжение сдвига — 330 килограммов на квадратный сантиметр. Мягкий графит вдруг обрел твердость алмаза. Точно такую же твердость показал при 50 тысячах атмосфер и редкий металл осмий. Откуда взялись эти новые качества у мягких материалов? Ответ один: их сделало такими давление. Ведь между атомами действуют не только силы отталкивания, но и силы притяжения. И чем короче расстояние между атомами, тем крепче их связь.
Нам удалось прийти к интересному выводу: выяснилось, что и прочность и твердость вещества зависят вовсе не от его кристаллической решетки,
Чтобы нагляднее представить себе давления, которыми мы действуем на металл, вообразите, что ваша лаборатория находится на дне океана. Над вами—10-километровая толща воды. Давление чудовищное—1000 атмосфер…
Если это услышит физик, он рассмеется: «Ну что же здесь чудовищного? Нам нужно 25 тысяч атмосфер…»
В океане нет глубины с таким давлением. И придется нам поместить нашу лабораторию на дне фантастического, условного океана. Но такого, чтобы глубина у него была 250 километров! Только тогда мы получим давление, которое физики сочли бы сегодня достаточно большим.
Проделаем в нашей лаборатории на дне океана следующий опыт.
Возьмем латунный стержень, тот самый, который в обычных условиях, если его растягивать, рвется, ломается поперек, словно его перерубили ударом топора. Посмотрим, как он себя поведет под давлением 25 тысяч атмосфер. Ни один иллюминатор не выдержит такого страшного давления, поэтому нам, видимо, придется наблюдать, как закручивается стерженек там, в толще чудовищно сжатой воды, через специальное телевизионное устройство. Вот стержень начал растягиваться, но он не разорвался, как произошло бы на суше. Как только металл стал в центре стержня растягиваться, атомы его, уступая давлению воды, подались внутрь, к центру стержня, и латунный стерженек в этом месте стал на глазах суживаться, словно его перетянули невидимой, но могучей ниткой. Наконец стерженек истончился и разорвался на две половинки. Обе они в месте разрыва заточены остро, как карандаши.
Возьмем другой стержень — из серого чугуна и повторим опыт. У чугуна тоже образуется узкая перетяжка — «шейка». Запишем показание прибора: 78 процентов пластичности. Смотрите: металл растянулся почти вдвое.
А теперь достанем последний стерженек — из мрамора, хрупкого белого камня. Уже на глубине 100 километров, то есть при 10 тысячах атмосфер, на мраморе намечается «шейка», обнаруживается, что мрамор становится пластичным, может, как говорят, течь.
Нетрудно найти и практическое применение этому явлению. Уже сейчас холодный металл продавливают через узкое отверстие огромным давлением жидкости и получают отличную проволоку. Если же отверстию придать форму шестеренки или трубы и сдавить металл мгновенным высоким давлением, то готовое изделие вылетит из отверстия пулей, буквально со скоростью снаряда — 500 метров в секунду! Причем металл такой шестеренки или трубы будет сжат, упрочен, а на его отполированной поверхности вы не найдете ни одной стружки или зазубрины.
А разве не пригодится для производства особенность, подмеченная физиками: у одного и того же вещества при разном давлении может быть разная валентность. А то, что высоким давлением без всяких реактивов и при комнатной температуре удается разложить любой окисел? Конечно, все это найдет себе применение.
Два слова о температуре. Снижая температуру вещества, мы уменьшаем амплитуду собственных колебаний атомов и даем им возможность сблизиться, уплотниться. Объем вещества уменьшается. Но есть у температур предел, поставленный природой. Это температура абсолютного нуля (-273°). Техника получения глубокого холода так сложна, что для сближения атомов в веществе давлением пользуются чаще, чем температурой. Из металлов цезий поддается сжатию лучше всех других. Стоит подвергнуть его давлению в 12 тысяч атмосфер (технически это задача несложная), и расстояние между его атомами будет таким же, как при температуре -273°.
Давление неразрывно связано с температурой. И если мы хотим познать все свойства веществ, то надо не только подвергать их разным давлениям, но и обязательно менять температуру опыта. Только так можно исследовать размеры кинетической энергии атомов в разных условиях и расстояния между ними. И в этой области для физиков кроется еще много неведомых открытий, необитаемых островов, нерешенных проблем!
Высокое давление в сочетании с предельно низкими температурами может буквально творить чудеса.