Многие люди уверены в том, что понимают, почему происходит изменение агрегатного состояния веществ.
Однако простые уточняющие вопросы зачастую приводят людей в ступор. И это неудивительно. Современная физика не знает ответы на многие вопросы. Например, почему при увеличении давления жидкие вещества становятся твёрдыми?
Действительно, начиная со школы, мы подробно изучали, как плавится лёд и как испаряется вода. Мы знаем, что вещество существует в твёрдом состоянии за счёт сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы характеризуются определенным уровнем энергии связи между молекулами или атомами вещества.
Если твердое вещество нагреть, то его молекулы будут двигаться быстрее в результате температурных колебаний. Если кинетическая энергия движения молекул превысит энергию межмолекулярных взаимодействий, то связи разорвутся и вещество перейдёт в жидкое или газообразное состояние.
Соответственно, при охлаждении жидкости она превращается в твердое тело. Вроде бы всё понятно.
Но известно, что жидкость переходит в твердое состояние также при увеличении давления при неизменной температуре. Почему?
Меня не устраивает ответ – «По той же самой причине». Дело в том, что в данном случае происходит абсолютно другое физическое явление.
Если температура вещества не изменяется, то это означает, что не изменяется кинетическая энергия молекул вещества. Следовательно, нет причины для нарушения существующих молекулярных связей.
Межатомная связь в простых веществах, например, в инертных газах, может быть описана потенциалом Леннарда-Джонса, или потенциалом «6-12» (Ашкрофт Н., Мермин Н., Физика твердого тела, 2 том, стр.30).
Хочу обратить внимание на то, что приведенный вид потенциала характеризуется одним минимумом. Это означает, что вещество имеет одно устойчивое состояние, при котором межатомное расстояние определяется положением этого минимума. Это состояние равновесия характеризуется тем, что при изменении межатомных расстояний возникают силы, возвращающие атомы в исходное положение.
Увеличение давления приводит к уменьшению межатомных расстояний. Но никакого другого устойчивого состояния вещества возникнуть не может, поскольку потенциал имеет единственный минимум. Следовательно, потенциал рассматриваемой формы не может объяснить существование нескольких агрегатных состояний, таких как жидкое и твердое.
Современная физика вообще не рассматривает вопрос о том, за счет каких взаимодействий жидкость переходит в твердое состояние при увеличении давления.
На мой взгляд, самое логичное объяснение агрегатных состояний вещества заключается в признании оболочечной модели строения атома. В публикации «Как устроены атомы? Без предрассудков планетарной модели» приведено описание структуры атома, в котором вокруг положительно заряженного ядра расположены отрицательно заряженные оболочки.
Приведу описание изменения агрегатных состояний на примере инертных газов. В обычном состоянии при нормальных условиях расстояния между атомами велики. Вещество находится в состоянии газа. Когда атомы приближаются друг к другу настолько, что начинают перекрываться внешние оболочки, то возникает взаимодействие, называемое валентным. При этом вещество переходит в жидкое состояние. Дальнейшее сближение атомов может происходить за счет охлаждения или увеличения давления. В этом случае происходит перекрытие более глубоких оболочек. Это взаимодействие характеризуется большей энергией связи, оно более прочное и более устойчивое. Это агрегатное состояние определяет твердое тело.
Оболочечная модель строения атома позволяет объяснить существование различных агрегатных состояний вещества, почему при увеличении давления жидкое вещество становится твердым. Кроме того, взаимодействие внешних атомных оболочек определяет вид и форму кристаллической структуры вещества, определяет изменение плотности вещества при изменении агрегатных состояний.