Одні й самі атоми, але
Чорний матовий м'який графіт, яким ми пишемо, і блискучий прозорий, твердий алмаз, що ріже скло, побудовані з одних і тих же атомів вуглецю. Чому ж такі різні властивості цих двох однакових за складом речовин?
Згадайте грати шаруватого графіту, кожен атом якого має трьох найближчих сусідів, та грати алмазу, атом якого має чотирьох найближчих сусідів. У цьому прикладі чітко видно, що властивості кристалів визначаються взаємним розташуванням атомів. З графіту роблять вогнетривкі тиглі, що витримують температуру до двох-трьох тисяч градусів, а алмаз горить при температурі вище 700 ° С; щільність алмазу 3,5, а графіту – 2,3; графіт проводить електричний струм, алмаз - не проводить і т.д.
Цією особливістю давати різні кристали має не тільки вуглець. Майже кожен хімічний елемент, і не лише елемент, а й будь-яка хімічна речовина, може існувати у кількох різновидах. Відомо шість різновидів льоду, дев'ять різновидів сірки, чотири різновиди заліза.
Обговорюючи діаграму стану, ми говорили про різні типи кристалів і намалювали єдину область твердого тіла. А ця область для багатьох речовин ділиться на ділянки, кожна з яких відповідає певному "сорту" твердого тіла або, як кажуть, певній твердій фазі (певної кристалічної модифікації).
кожна кристалічна фаза має свою область стійкого стану, обмежену певним інтервалом тисків і температур. Закони перетворення одного кристалічного різновиду на іншу - такі ж, як закони плавлення та випаровування.
Для кожного тиску можна вказати температуру, при якій обидва типи кристалів мирно співіснуватимуть. Якщо підвищититемпературу, кристал одного виду буде перетворюватися на кристал другого виду. Якщо знизити температуру, то станеться зворотне перетворення.
Щоб за нормального тиску червона сірка перетворилася на жовту, потрібна температура нижче 110°С. Вище за цю температуру, аж до точки плавлення, стійкий порядок розташування атомів, властивий червоній сірці. Температура падає,- коливання атомів зменшуються, і, починаючи з 110°С, природа знаходить зручніший порядок розташування атомів. Відбувається перетворення одного кристала на інший.
Шість різних льодів ніхто не вигадував назви. Так і кажуть: лід один, лід два, . лід сім. Як же сім, якщо всього шість різновидів? Справа в тому, що лід чотири при повторних дослідах не виявлено.
Якщо стискати воду при температурі близько нуля, то при тиску близько 2000 атм утворюється крига п'ять, а при тиску близько 6000 атм - крига шість.
Лід два та лід три стійкі при температурах нижче нуля градусів.
Лід сім – гарячий лід; він виникає при стисканні гарячої води до тиску близько 20 000 атм.
Всі льоди, крім звичайного, важчі за воду. Лід, що виходить за нормальних умов, поводиться, аномально; навпаки, лід, отриманий за умов, відмінних від норми, поводиться нормально.
Ми говоримо, що кожній кристалічній модифікації властива певна сфера існування. Але якщо так, то яким чином існують за однакових умов графіт і алмаз?
Таке "беззаконня" у світі кристалів зустрічається дуже часто. Вміння жити в "чужих" умовах для кристалів є майже правилом. Якщо для переведення пари або рідини в чужі області існування доводиться вдаватися до різних хитрощів, то кристал, навпаки, майже ніколи не вдається змусити залишитися в межах, відведенихйому природою.
Перегріви та переохолодження кристалів пояснюються труднощами перетворення одного порядку на інший за умов крайньої тісноти. Жовта сірка повинна за 95,5°С перетворюватися на червону. При більш менш швидкому нагріванні ми "проскочимо" цю точку перетворення і доведемо температуру до точки плавлення сірки 113°С.
Справжню температуру перетворення найпростіше виявити при зіткненні кристаликів. Якщо їх тісно накласти один на інший і підтримувати температуру 96°С, то жовтий з'їде червоним, а при 95°С жовтий поглине червоний. На відміну від переходу "кристал - рідина" перетворення "кристал - кристал" затримуються зазвичай як із переохолодженні, і при перегріві.
У деяких випадках ми маємо справу з такими станами речовини, якою потрібно було жити зовсім за інших температур.
Біле олово повинне перетворитися на сіре при падінні температури до +13°С. Ми зазвичай маємо справу з білим оловом та знаємо, що взимку з ним нічого не робиться. Воно добре витримує переохолодження в 20-30 градусів. Проте за умов суворої зими біле олово перетворюється на сіре. Незнання цього було однією з причин, що занапастили експедицію Скотта на Південний полюс (1912 р.). Рідке паливо, взяте експедицією, знаходилося в судинах, паяних оловом. За великих холодів біле олово перетворилося на сірий порошок - судини розпаялися; та паливо вилилося. Недарма поява сірих плям на білому олові називають олов'яною чумою.
Так само, як і у випадку сірки, біле олово може бути перетворене на сіре при температурі трохи нижче 13°С; якщо тільки на олов'яний предмет потрапить крихітна крупинка сірого різновиду.
Існування декількох різновидів однієї і тієї ж речовини та затримки в їх взаємних перетвореннях маютьВелике значення для техніки.
При кімнатній температурі атоми заліза утворюють об'ємно-центровану кубічну решітку, в якій атоми займають місця по вершинах і в центрі куба. Кожен атом має вісім сусідів. При високій температурі атоми заліза утворюють щільнішу "упаковку" - кожен атом має 12 сусідів. Залізо з числом сусідів 8 – м'яке, залізо з числом сусідів 12 – тверде. Виявляється, можна отримати залізо другого типу за кімнатної температури. Цей спосіб - загартування - широко застосовується у металургії.
Виробляється загартування дуже просто - металевий предмет розжарюють до червоного кольору, а потім кидають у воду або в масло. Охолодження відбувається так швидко, що перетворення структури, стійкої за високої температури, не встигає відбутися. Таким чином високотемпературна структура необмежено довго існуватиме в невластивих їй умовах: перекристалізація в стійку структуру йде настільки повільно, що практично непомітна.
Говорячи про загартування заліза, ми були не зовсім точні. Загартовують сталь, тобто залізо, що містить частки відсотка вуглецю. Наявність дуже малих домішок вуглецю затримує перетворення твердого заліза на м'яке і дозволяє робити гарт. Що ж до зовсім чистого заліза, його загартувати не вдається - перетворення структури встигає відбутися навіть за різкому охолодженні.
Залежно від виду діаграми стану, змінюючи тиск чи температуру, досягають тих чи інших перетворень.
Багато перетворення кристала в кристал спостерігаються при зміні одного тиску. У такий спосіб було отримано чорний фосфор.
Перетворити графіт на алмаз вдалося лише використовуючи одночасно і високу температуру, і великий тиск. На рис. 4.13 показано діаграму станувуглецю. При тисках нижче десяти тисяч атмосфер і температурах менше 4000 До стійкою модифікацією є графіт. Таким чином, алмаз живе в "чужих" умовах, тому його без особливих труднощів можна перетворити на графіт. Але практичний інтерес представляє обернене завдання. Здійснити перетворення графіту на алмаз не вдається лише підвищенням тиску. Фазове перетворення у твердому стані йде, мабуть, надто повільно. Вигляд діаграми стану нагадує правильне рішення: збільшити тиск і одночасно нагріти. Тоді ми отримаємо (правий кут діаграми) розплавлений вуглець. Охолоджуючи його при високому тиску, ми повинні потрапити в ділянку алмазу.
Практична можливість такого процесу було доведено 1955 р., нині проблема вважається технічно вирішеною.
Дивовижна рідина
Якщо знижувати температуру тіла, то рано чи пізно воно затвердіє та набуде кристалічної структури. При цьому байдуже, за якого тиску відбувається охолодження. Ця обставина здається цілком природною та зрозумілою з погляду законів фізики, з якими ми вже познайомилися. Справді, знижуючи температуру, ми зменшуємо інтенсивність теплового руху. Коли рух молекул стане настільки слабким, що вже перестане заважати силам взаємодії між ними, молекули вишикуються в акуратному порядку - утворюють кристал. Подальше охолодження забере від молекул всю енергію їх руху, і при абсолютному нулі речовина повинна існувати у вигляді молекул, що покояться, розташованих у правильну решітку.
Досвід показує, що таким чином поводяться всі речовини. Все, крім одного-єдиного: таким "виродком" є гелій.
Деякі відомості про гелію ми вже повідомили читачеві. Гелій єрекордсмен за значенням своєї критичної температури. Жодна речовина не має критичної температури нижчої, ніж 4,3 К. Однак сам по собі цей рекорд не означає чогось дивовижного. Вражає інше: охолоджуючи гелій нижче критичної температури, діставшись практично абсолютного нуля, ми отримаємо твердого гелію. Гелій залишається рідким і за абсолютного нулі.
Поведінка гелію зовсім не зрозуміла з погляду викладених нами законів руху і є однією з ознак обмеженої придатності таких законів природи, які здавалися універсальними.
Якщо тіло рідке, його атоми перебувають у русі. Але, охолодивши тіло до абсолютного нуля, ми відібрали у нього всю енергію руху. Доводиться визнати, що гелій має таку енергію руху, яка не може бути відібрана. Цей висновок несумісний із механікою, якою ми займалися досі. Відповідно до цієї вивченої нами механіки, рух тіла завжди можна загальмувати до повної зупинки, відібравши в нього всю кінетичну енергію; так само точно можна припинити рух молекул, відібравши у них енергію при зіткненні зі стінками судини, що охолоджується. Для гелію така механіка не підходить.
"Дивна" поведінка гелію є вказівкою на факт величезної важливості. Ми вперше зустрілися з неможливістю застосування у світі атомів основних законів механіки, встановлених безпосереднім вивченням руху видимих тіл, - законів, які здавалися непорушним фундаментом фізики.
Той факт, що при абсолютному нулі гелій "відмовляється" кристалізуватися, жодним способом не можна примирити з механікою, яку ми вивчали досі. Суперечність, з якою ми зустрілися вперше, - непокора світу атомів законам механіки - лише перша ланка в ланцюгу ще гостріших і різкішихпротиріч у фізиці.
Ці протиріччя призводять до необхідності перегляду основ механіки атомного світу. Цей перегляд дуже глибокий і призводить до зміни всього нашого розуміння природи.
Необхідність корінного перегляду механіки атомного світу означає, що треба поставити хрест на вивчених нами законах механіки. Було несправедливо змушувати читача вивчати непотрібні речі. Стара механіка цілком справедлива у світі великих тіл. Вже цього достатньо для того, щоб ставитися до відповідних розділів фізики з повною повагою. Однак важливо і те, що низка законів "старої" механіки переходить у "нову" механіку. Сюди належить, зокрема, закон збереження енергії.
Наявність "невіднімається" при абсолютному нулі енергії не є особливою властивістю гелію. Виявляється; "нульова" енергія є у всіх речовин.
Тільки у гелію цієї енергії виявляється достатньо для того, щоб завадити атомам утворити правильні кристалічні грати.
Не треба думати, що гелій не може перебувати у кристалічному стані. Для кристалізації гелію треба лише підвищити тиск приблизно до 25 атм. Охолодження, яке проводиться при вищому тиску, призведе до утворення твердого кристалічного гелію з звичайними властивостями. Гелій утворює кубічні гранецентровані грати.
На рис. 4.14 показано діаграму стану гелію. Вона різко відрізняється від діаграм решти речовин відсутністю потрійної точки. Криві плавлення та кипіння не перетинаються.
І ще одна особливість є у цієї унікальної діаграми стану: існують дві різні гелієві рідини. У чому їхня відмінність - ви дізнаєтеся трохи пізніше.