Чтение онлайн

Заметим, что соединения химических элементов, у которых валентных электронов достаточно, чтобы образовать структуру твёрдого тела на стационарных химических связях, известны своей хрупкостью. Металлы – иное дело. Модель динамической структуры металлов, с нестационарными химическими связями, сразу даёт качественное объяснение таким механическим свойствам чистых металлов, как пластичность и ковкость. Сплавы же, после подходящей термической и механической обработки, способны приобретать свойства, например, брони или булата. Приобретение подобных свойств, на наш взгляд, обусловлено, в значительной степени, реорганизацией химических связей в образце. Однако, принято считать, что классические химические связи между компонентами сплавов имеют место лишь в интерметаллических соединениях – а, например, углеродистая сталь представляет собой твёрдый раствор, т.е. смесь атомов железа и углерода, которая держится на металлической связи [Л3,Ч2,Ш1] – т.е. «на электронном газе»! Неужели изменения микроструктуры стали при её термообработке обусловлены поведением электронного газа? Так, при отпуске закалённого образца, его состав не изменяется, но его твёрдость разительно уменьшается. Спрашивается: что за деградацию испытывает электронный газ, если он не может обеспечить прежнюю твёрдость образца? Не отвечая на этот сразу же возникающий вопрос, теоретики отвлекают наше внимание на факты, которые, якобы, свидетельствуют об отсутствии классических химических связей в стали. Этими фактами являются довольно лёгкое проникновение атомов углерода в железный образец при термическом науглероживании (цементации) и, наоборот, лёгкое извлечение атомов углерода при обезуглероживании. Эти миграции атомов углерода в железе производят впечатление простой механической диффузии – если не принимать во внимание динамичность структуры образца. Но благодаря этой динамичности структуры, на наш взгляд, такие миграции атомов углерода как раз и возможны! Кстати, даже при комнатных температурах имеет место следующий феномен: если гладкие очищенные поверхности даже разнородных металлов прижать друг к другу, то за достаточный промежуток времени металлы «диффундируют» друг в друга, образуя неразъёмное соединение! На наш взгляд, модель переключающихся химических связей даёт простейшее объяснение этого феномена.

Помимо названных механических свойств, обусловленных особенностями объёмной структуры металлов, наша модель даёт качественное объяснение некоторых свойств поверхностей металлических образцов. Действительно, поверхностные атомы чисто металлического образца – не прошедшего специальной обработки вроде пассивации или уплотнения взрывом – находятся в иных условиях, чем атомы в объёме образца. У поверхностных атомов связки «протон-электрон», направленные наружу, периодически становятся валентными, но при этом они остаются незадействованы в формировании химических связей с соседними атомами металла. Отсюда вытекают два следствия. Во-первых, поверхностные атомы чисто металлического образца связаны слабее, чем атомы в его объёме. Во-вторых, если атомарные электроны поверхности металла периодически становятся валентными, то этим легко объясняется высокая химическая активность таких поверхностей. Известно, что даже в средах, которые нельзя назвать химически агрессивными, многие из чистых металлов проявляют себя как активные реагенты: их поверхности адсорбируют газы, быстро покрываются оксидными плёнками, и т.п. В агрессивных же средах чистые металлы вступают в реакции, которые могут протекать весьма бурно. Имеется целая научно-техническая отрасль, которая совершенствует способы пассивации металлов, т.е. такой обработки их поверхностей, которая резко снижает их реакционную способность.

На основе того, что атомарные электроны поверхности металла периодически становятся валентными, можно качественно объяснить и тот факт, что металлы зачастую оказываются хорошими катализаторами. Действительно, катализируемая металлом реакция синтеза А+В->АВ могла бы происходить, упрощённо, следующим образом. Пусть к одному из поверхностных атомов, когда его «наружный» электрон был валентным, присоединился реагент А, а к такому же соседнему поверхностному атому присоединился реагент В. При первых же переключениях валентных связок у этих двух атомов металла, разорвутся их связи с реагентами А и В, у которых увеличится вероятность соединиться между собой – благодаря близкому спокойному соседству.

Подчеркнём, что период переключений валентных связок, о которых идёт речь, является, на наш взгляд, ключевым параметром, от которого зависят механические и химические свойства металлов. Зависимость этого параметра от температуры должна приводить к соответствующим температурным зависимостям этих свойств. Так, в Антарктиде приобретён следующий опыт: при температуре –70оС, тонкий дюралевый лист можно резким движением «порвать как бумагу», и, кроме того, при такой температуре дюраль… отлично горит на открытом воздухе. Эти феномены, контрастируя с привычными нам свойствами дюраля при комнатной температуре, обусловлены, как мы полагаем, увеличением периода переключений валентных связок по мере понижения температуры.

Представляется логичным, что характерные для металлов типы кристаллических решёток обусловлены именно числом и пространственной конфигурацией атомарных связок «протон-электрон», которые поочерёдно участвуют в образовании химических связей с соседними атомами. Заметим, что в обрисованной нами картине металлической структуры нет места для свободных электронов. Но эта картина является идеализированной – справедливой для идеального монокристалла металла. Обычные же металлические образцы состоят из множества микрокристаллов и имеют разнообразные дефекты кристаллической структуры. Эти дефекты и границы между микрокристаллами являются своеобразными генераторами свободных электронов. Тем не менее, как мы видели выше, число свободных электронов в металлах ничтожно по сравнению с числом атомов.

Добавим, что модель переключений направленных валентностей у атомов металлов позволяет легко разрешить столетнюю проблему в химии – а именно, раскрыть секрет устойчивости комплексных соединений. Так называют комплексы, в которых атом металла удерживает присоединёнными к себе несколько атомов или атомных групп, называемых лигандами [Ч1,Х2] – причём, теоретические проблемы здесь связаны с тем, что число лигандов существенно превышает число валентных электронов центрального атома. Феномен комплексных соединений выглядит каким-то чудом в свете традиционных представлений – согласно которым, устойчивые соединения получаются на стационарных связях. Между тем, проблемы радикально устраняются при допущении о том, что в комплексных соединениях лиганды связываются центральным атомом поочерёдно [Г7]. А, поскольку у многих сегнетоэлектриков элементарными кристаллическими ячейками являются, фактически, комплексные соединения, то наш подход даёт естественное объяснение экзотическим свойствам сегнетоэлектриков [Г7].

Эксперименты по измерению подвижности свободных электронов в металлах дают, что, при протекании постоянного электрического тока, скорость перемещения роя электронов составляtn миллиметры в секунду [П1,К9]. Теперь представим двухпроводную линию с длиной, скажем, 10 км, к дальним контактам которой присоединён конденсатор, а к ближним её контактам можно подключить источник постоянного напряжения. После замыкания рубильника, подключающего этот источник, напряжение на конденсаторе появится с задержкой во времени, которая определяется, практически, скоростью света. По традиционной логике, заряды на пластинах конденсатора могут появиться, в данном случае, лишь благодаря перемещениям по проводам свободных электронов. Но, перемещаясь, в совокупности, на миллиметры в секунду, свободные электроны никак не смогут обеспечить то молниеносное установление напряжения на конденсаторе, которое наблюдается на опыте. При таком положении дел, как может наука заявлять, что ей понятен механизм переноса электричества в металлах?

Напротив, мы предлагаем модель этого молниеносного процесса. Эта модель является развитием концепции зарядовых разбалансов (5.1) – волны которых распространяются в веществе именно со скоростью света, причём перенос вещества при этом не происходит. В вышеприведённом примере с конденсатором на конце двухпроводной линии, электрические импульсы, которые формируются зарядовыми разбалансами в атомах проводов, бегут к конденсатору, практически, со скоростью света. Добежав до конденсатора, они сразу же создают напряжение между его пластинами – несколько меньшее, чем напряжение источника, из-за падения напряжения на проводах. Таким образом происходит зарядка конденсатора, которую можно назвать реактивной – обусловленной лишь наведёнными на пластинах конденсатора зарядовыми разбалансами противоположного знака, но не притоком электронов на отрицательную пластину и оттоком их с положительной пластины. Приток-отток электронов – это вторичный эффект, который протекает гораздо медленнее, чем индуцирование зарядовых разбалансов. Но именно этот приток-отток электронов обеспечивает зарядку конденсатора, которую можно назвать активной. Характерное время, требуемое для активной зарядки, определяется постоянной RC– цепочки, т.е. произведением активного сопротивления на ёмкость. Лишь такой, активно заряженный, конденсатор способен дать мощную разрядную искру в воздухе при попытке замкнуть его выводы. Если же, в нашем случае с конденсатором на конце 10-километровой линии, отсоединить его спустя 33 мкс после подключения источника напряжения, то, испытав лишь реактивную зарядку, никакой мощной разрядной искры он не даст.

Таким образом, можно говорить о двух механизмах переноса электричества в металлах: безынерционном, через подвижки зарядовых разбалансов, и инерционном, через подвижки свободных электронов. Причём, омическое сопротивление и джоулево тепло являются атрибутами только второго из этих механизмов. Кстати, феномен джоулева тепла до сих пор не нашёл разумного объяснения в рамках концепции газа свободных электронов. В самом деле, при температуре 300оК средняя тепловая скорость свободных электронов должна составлять ~107 см/с. Метаясь с такими скоростями между атомами решётки и соударяясь с ними, свободные электроны должны находиться в тепловом равновесии с решёткой – ведь нагрева образца при этом не происходит. Стоит, однако, приложить к образцу разность потенциалов, и дрейф газа свободных электронов со скоростью в миллиметры в секунду – отчего практически не изменяется равновесное распределение их скоростей – приводит к тому, что проводник начинает заметно нагреваться. В рамках традиционного подхода, этот парадокс до сих пор не разрешён. Но мы спрашиваем: а почему свободные электроны в металле должны иметь тепловые скорости? В реальном газе равновесное распределение устанавливается через столкновения. Но, как отмечалось выше (5.12), свободных электронов в металлах так мало, что они физически не могут иметь равновесное распределение по скоростям, достигаемое через столкновения. Более того, из-за динамического характера металлической структуры, имеет место «ротация кадров» свободных электронов. Т.е., имеет смысл среднее время пребывания электрона в свободном состоянии – и нам представляется разумным, что, в обычных условиях, это время много меньше характерного времени установления теплового равновесия в образце. Тогда, за время пребывания свободными, электроны далеко не успевают приобрести равновесных тепловых скоростей. Поэтому, в условиях градиента электрического потенциала, свободные электроны, ускоряясь, приобретают скорости, которые существенно деформируют их невозмущённое распределение – так что начинают играть значительную роль их столкновения с атомами решётки, приводящие к джоулеву нагреву. При таком подходе, можно предложить следующее качественное объяснение температурной зависимости омического сопротивления для подавляющего большинства металлов: при повышении температуры уменьшается период переключения химических связей в металле, отчего кристаллическая решётка становится более динамичной, так что уменьшается длина свободного пробега электрона – и, соответственно, уменьшается средняя скорость дрейфа роя электронов в проводнике.

Как можно видеть, различия в электропроводности у металлов и диэлектриков обусловлены именно наличием свободных электронов в металлах, поскольку волны зарядовых разбалансов в металлах и диэлектриках ничем принципиально не различаются. Через диэлектрические провода не получается активная зарядка конденсатора, поскольку диэлектрические провода не обеспечивают притока-оттока электронов. Но переменный ток, как волны зарядовых разбалансов, проходит через диэлектрики с не меньшей эффективностью, чем через металлы – поскольку омическое сопротивление для волны зарядовых разбалансов равно нулю.

Теперь, когда мы знаем про два механизма переноса электричества в металлах, мы можем ответить на вопрос о том, что такое намагниченность. Известно, что магнитное действие производят движущиеся электрические заряды, и, соответственно, стационарное магнитное действие производят стационарные движения зарядов, т.е. стационарные токи. Какие замкнутые токи могут быть, например, в намагниченном железе? О движении свободных электронов здесь не может быть и речи – их движение быстро затухло бы из-за омического сопротивления. Официальная наука полагает, что феномен намагниченности объясняется на основе гипотезы о собственном магнитном моменте электрона, т.н. спине – якобы, ориентируясь преимущественно в том или ином направлении, спины электронов в образце создают ненулевой суммарный магнитный момент. Но, как мы излагали выше (4.2), гипотеза о спине электрона не выдерживает критики.