Может показаться неожиданным, но современная физика не знает, почему существуют твёрдые тела. Целая отдельная область физики посвящена твердым телам – физика твердого тела. Но основной задачей этого раздела физики является изучение и описание свойств твердых тел, а не выяснение причин, лежащих в основе этих физических явлений.
Поводом для того, чтобы обратиться к физике твердого тела, для меня явилось то, что я не смог ответить на кажущийся простым вопрос о причине образования льда из воды. Этот вопрос я обсуждал в публикации «Почему вода жидкая, а лед твердый?». Дело в том, что свойства воды изучены очень хорошо. Физика давно ответила на вопрос о том, какие силы связывают молекулы воды и отвечают за переход из состояния газа в жидкую фазу. Этот вид межмолекулярного взаимодействия называется водородная связь.
Ввиду значительной разности электроотрицательности атомов водорода и кислорода, в молекуле воды происходит перераспределение заряда, в результате которого молекула приобретает свойства электрического диполя. Взаимодействие этих диполей представляет собой водородную связь между молекулами воды.
Энергия этого взаимодействия имеет вполне определенное значение. Если энергия молекул превышает энергию водородной связи, то вода переходит в пар. Если энергия молекул менее энергии взаимодействия, то вода находится в жидкой фазе. Это понятно.
Но почему при охлаждении вода превращается в лед?
Я предположил, что за этот переход должна отвечать какая-то дополнительная межмолекулярная связь с другим уровнем энергии связи.
Но это предположение вызвало возражения в комментариях к публикации. Дело в том, что в теории твердого тела не рассматриваются другие виды межмолекулярного взаимодействия, присущие молекулам воды.
Меня упрекнули в незнании того, что свойства воды во многом определяются структурой кластеров, образующихся в воде. Однако я никогда не оспаривал наличие кластеров в воде. Кластеры фактически представляют собой небольшие кристаллы, определяющие наличие ближнего порядка в веществе. Я не отрицаю того, что молекулы воды формируют кластеры, компоновка которых определяется параметрами окружающей среды. Конечно, эти кластеры имеют свои энергетические и физические характеристики. Структура и вид этих кластеров может изменяться при изменении внешних условий. Этим можно объяснить особенности динамики плотности воды при изменении температуры. Воду можно рассматривать как кластерную жидкость. Но все-таки именно жидкость. Как должна измениться структура кластера, чтобы образовался лед? Это должны быть принципиальные изменения. Я обращаю внимание на то, что твердые тела отличаются от жидкостей наличием жесткости по отношению к сдвигу. Поэтому жидкая фаза не имеет жесткости. Структура кластеров в этой фазе не обеспечивает наличие жесткости у среды. При замерзании воды должна образоваться принципиально другая кристаллическая структура, обеспечивающая жесткость среды.
Физика твердого тела вскользь замечает, что переход воды из жидкого состояния в твердое состояние обусловлен той же водородной связью. Мне представляется это маловероятным.
Тем не менее, если это все-таки так, то почему в физике твердого тела этому важному вопросу не уделяется должного внимания? Мне кажется это обусловлено отсутствием убедительных аргументов и доказательств.
Для поиска причины образования льда и для рассмотрения видов межмолекулярного взаимодействия обратимся к классическим учебникам физики твердого тела.
Следует отметить, что физика твердого тела, как отдельное направление физики, сформировалась в начале 20 века. В 1953 году Чарльз Киттель опубликовал первый учебник по физике твердого тела [1], ставший классическим. В этом учебнике автор сформулировал предмет физики твердого тела, описал область и задачи этого направления. Предложенная структура изложения материала впоследствии стала основой многих советских учебников [2].
Как ни странно, но учебник начинается не с указания причины существования твердых тел, а с классификации твердых тел. Указывается, что все твердые тела имеют кристаллическую структуру, которая определяет их свойства.
И лишь через сто страниц говорится, что существование твердых тел «обеспечивается силами электростатического притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами» ([1], с.112).
Затем приводится классификация межмолекулярных взаимодействий с кратким описанием. При этом такому важному виду взаимодействия, как водородная связь уделено около одной страницы текста.
«Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами H2O и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные физические свойства воды и льда» ([1], с.143).
Обращаю внимание на то, что эта связь обусловливает «физические свойства воды и льда». Каким образом? Об этом в учебнике ни слова.
В работе [2] следуют сложившейся традиции, выделяя только один абзац текста из общего количества около 500 страниц:
«Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением между атомом водорода и каким-либо электроотрицательным атомом (O, F, N, Clи др.). Классическим примером таких веществ является вода в жидком или твердом состоянии.
Из-за недостатка места мы не будем более подробно останавливаться на этом типе связи и отошлем читателя к более фундаментальным трудам по физике твердого тела.» ([2], с.83).
Таким образом, в классических учебниках по физике твердого тела не приводится объяснение того, каким образом водородная связь обеспечивает существование воды в жидком и твердом состоянии.
Но этот вопрос не является самым сложным в физике твердого тела. В водородной связи хотя бы понятна физическая природа сил, на которых основана водородная связь. Молекулы воды можно рассматривать как электрические диполи, которые имеют сложную пространственную структуру и могут образовывать разнообразные кластеры. Это не объясняет причину образования льда, но позволяет создать видимость научности рассуждений об энергии связи в кластерах и в кристаллах.
Более каверзным вопросом является причина существования твердого состояния инертных газов. Инертные газы представляют собой одноатомные газы, атомы которых характеризуются нулевой валентностью, с полностью заполненными электронными оболочками. В соответствии с представлением современной физики атомы инертных газов сферически симметричны и электрически нейтральны, что оставляет открытым вопрос о природе сил межатомного взаимодействия, обеспечивающих жидкое и твердое состояние.
Физике твердого тела необходимо было найти хоть какое-то обоснование причины возникновения таких сил. И такое обоснование было придумано. В роли спасительницы ситуации выступила квантовая механика.
Новые силы получили название – дисперсионные силы.
Дисперсионные силы - силы электростатического притяжения мгновенного и индуцированного (наведённого) диполей электрически нейтральных атомов или молекул.
«Электроны в атоме постоянно движутся относительно ядер, даже находясь в наинизшем энергетическом состоянии. В результате этого движения мгновенное положение центра электронного облака может не совпадать в точности с ядром атома, - в эти моменты у атома появляется отличный от нуля электрический дипольный момент. Мгновенный дипольный момент атома … создает в центре второго атома … электрическое поле. Это поле, в свою очередь, наводит мгновенный дипольный момент у второго атома» ([1], с.118).
Приведенное описание удивительным образом сочетает в себе наивность классической механики, и самоуверенность и безаппеляционность квантовой механики. Современная физика утверждает, что рассматриваемое явление определяется квантовомеханическими флуктуациями электронной плотности, не имеет классического аналога, поэтому в каком-либо детальном обосновании не нуждается. Полученные формулы описывают экспериментальные данные. Этого достаточно. Теоретическое обоснование считается состоявшимся. Наука торжествует. Ученые могут дальше заниматься своими рутинными делами.
Объяснение природы дисперсионных сил напоминает мне ситуацию из анекдота:
Муж возвращается домой поздно вечером. Очень нетрезв.
Жена: Ты почему так поздно? Наверное, было очень важное производственное собрание?
Муж: Ну да, собрание...
Жена: А почему ты такой пьяный? Наверное, с партнерами по бизнесу отмечали новую сделку?
Муж: Ну да, отмечали…
Жена: А почему у тебя на щеке следы женской помады? Наверное, ты возвращался на автобусе, было очень тесно, автобус резко затормозил и незнакомая женщина случайно задела тебя губами?
Муж: Ну да, случайно…
Жена: А почему у тебя из кармана торчат женские трусики? Почему?...
Муж, после небольшой паузы: Ну, дорогая, ну придумай же что-нибудь…
Вот и с дисперсионными силами такая же история. Требовалось придумать, как нейтральный сферически симметричный атом превращается в диполь. И придумали – из-за квантовых флуктуаций. Не имеет особого значения степень логичности и аргументированности доказательств. Главное, что это объяснение всех устраивает, создавая иллюзию научной обоснованности. Так в современной физике возникла и укрепилась уверенность в том, что твердое тело формируется в результате квантовых флуктуаций электронной плотности.
Я не считаю уместным приводить сомнения о природе дисперсионных сил. Более того, я не оспариваю, что атомы инертных газов взаимодействуют между собой как электрические диполи. И эти диполи, притягиваясь друг к другу, формируют кубическую кристаллическую решетку, что обеспечивает состояние твердого тела.
В данном случае вопрос заключается в другом. Какие силы межатомного взаимодействия обеспечивают тогда существование жидкого состояния инертных газов? Дело в том, что у инертных газов нет никакого разнообразия кластерных форм. За счет дисперсионных сил формируется только кубическая кристаллическая решетка. Поэтому рассуждения о роли энергии связи кристаллов в данном случае неуместны.
Я повторю свой основной тезис:
Один вид межмолекулярного взаимодействия с одним уровнем энергии связи не может обеспечить существование вещества в газообразном, жидком и твердом состояниях.
Поэтому водородная связь не объясняет существование агрегатных состояний воды, а дисперсионные силы не объясняют это для инертных газов.
Безусловно, что в данном случае, всё дело в строении вещества, в структуре атомов. Но если вы обратитесь с вопросом о строении вещества к физике твердого тела, то вы обратитесь не по адресу. Как ни парадоксально, но физика твердого тела не знает даже того, почему существуют твердые тела.
Свою точку зрения на строение вещества я приведу в следующих публикациях.
Литература:
1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела, М.: Книга по Требованию, 2012, 789 с.
2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела, М.: Высшая школа, 2000, 494 с.
Публикации по теме:
«Почему вода жидкая, а лед твердый?»
