МЕТАЛЛЫ: НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ И ДВА МЕХАНИЗМА ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

 

А.А.Гришаев, независимый исследователь

 

 

Введение.

Формируя воззрения на природу связей, которые обеспечивают кристаллическую структуру металлов, официальная наука попала в тяжёлое положение. Считается, что единственными переносчиками электричества в металлах являются свободные электроны, которые протискиваются сквозь кристаллическую решётку. На факт наличия свободных электронов в металлах указывали, например, эксперименты Толмена и др. [1-3], которые продемонстрировали знак заряда и инерционные свойства этих электронов. Известно ещё явление термоэмиссии электронов из металлов, а также явление холодной эмиссии – «вытягивание» электронов из металла достаточно сильным электрическим полем. Так оформилась концепция газа свободных электронов в металлах – согласно теории Друде, на один атом в металле приходится один свободный электрон. Но эта концепция вела в глухой тупик. Во-первых, энергия ионизации атомов металлов составляет несколько eV. Наличие газа свободных электронов в металлах не может обеспечиваться тепловой ионизацией, поскольку для этого требовались бы температуры ~10000^оК – а никакого другого механизма, обеспечивающего тотальную ионизованность атомов в металлах, до сих пор не предложено. Во-вторых, атомы металлов имеют малое число электронов во внешней электронной оболочке. Если атомы, имеющие по одному такому электрону, отдадут их в «газ свободных электронов», то у получившихся ионов не останется валентных электронов – способных образовывать химические связи. Тогда каким же образом может поддерживаться трёхмерная кристаллическая решётка?

Не найдя разумного ответа на этот вопрос, теоретики ухватились за квантово-механические представления – согласно которым, структура металлов держится благодаря совершенно особой, т.н. металлической связи, обусловленной газом свободных электронов, каждый из которых «как бы принадлежит сразу всем атомам решётки». Студенты с восторгом произносят красивый термин: «нелокализованные связи». Они не дают себе труда задуматься о том, что подобная нелокализованная размазня, возможно, способна обеспечить выполнение условия квазинейтральности (как в настоящей плазме), но она не способна обеспечить жёсткую кристаллическую структуру – да ещё имеющую ту или иную полиморфную модификацию.

Хуже того: зонная теория твёрдого тела, которая, как принято считать, объясняет высокую электропроводность металлов, основана на т.н. «одноэлектронном приближении» (см., например, [4]) – согласно которому, каждый свободный электрон в твёрдом теле взаимодействует лишь с ионами кристаллической решётки, а других свободных электронов как бы нет. Этот подход с очевидностью противоречит модели «металлической связи» - согласно которой, сама кристаллическая решётка существует лишь благодаря газу свободных электронов.

Таким образом, модели современной физики не дают нам даже элементарного понимания принципов, по которым формируются металлические структуры – а, значит, природа электропроводности металлов также остаётся неясной. В данной статье мы делаем попытку прояснить эти вопросы.

 

Много ли в металлах свободных электронов?

Одним из блестящих доказательств того, что в металлах электричество переносится свободными электронами, считается опыт Толмена и Стюарта [1]. Катушку с намотанной медной проволокой приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. Свободные электроны в проволоке, двигаясь «по инерции», давали слабый импульс тока, который регистрировался баллистическим гальванометром.

Поразительно, но на основе экспериментальных данных Толмена и Стюарта можно было определить не только знак заряда носителей электричества, которые давали регистрируемый импульс тока, и не только отношение заряда к массе у этих носителей (это авторы проделали), но и количество этих носителей в меди – а этого авторы не проделали. Восполним этот пробел.

Для силы тока I можно записать два выражения: I=Q/t, где Q - заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t, а также I=en_eVS, где e - элементарный электрический заряд, n_e - концентрация носителей этого заряда, V - средняя скорость их движения, S - площадь поперечного сечения проводника. Приравнивая эти два выражения, для концентрации свободных электронов получаем

n_e=Q/(teVS).                                                                                        (1)

Для случая реакции баллистического гальванометра на импульс тока, в качестве скорости V следует взять среднюю скорость свободных электронов, двигавшихся «по инерции», т.е. половину от линейной скорости вращения V₀ витков раскрученной катушки. Что же касается времени t, то это отнюдь не время торможения катушки, как могло бы показаться на первый взгляд. Катушку тормозили за несколько десятых секунды, но характерное время реакции свободных электронов в металле на много порядков меньше – будучи обратной величиной к плазменной частоте w_p [4]:

t = (w_p)^-1 = (m_e/4pn_ee²)^1/2,                                                                   (2)

где m_e - масса электрона. Комбинируя (1) и (2) с учётом того, что V=V₀/2, получаем:

.                                                                                     (3)

Неудивительно, что в это выражение не входит длина проволоки в катушке. Ведь через гальванометр проходили далеко не все свободные электроны в цепи; прибор давал отклик на ничтожную, по сравнению с длиной проволоки, подвижку роя свободных электронов. Поперечное сечение S проволоки в катушке нам пришлось рассчитать на основе приведённых авторами её длины (466.5 м) и сопротивления (40 Ом). Используя справочное значение удельного электрического сопротивления меди (0.017 мкОм×м), мы получили, что S=2×10^-7 м². Линейная скорость вращения V₀ варьировалась от 198 м/с до 564 м/с, при этом измеряемая величина Q изменялась примерно от 1.1×10^-9 до 3.4×10^-9 Кулон. Тогда, согласно (3), концентрация свободных электронов n_e составляла ~5×10²² м^-3. Концентрация же атомов в меди есть n_Cu»8.44×10²⁸ м^-3. Наша обработка результатов [1] дала, что (n_Cu/n_e)=(1.68±0.26)×10⁶. Это означает, что, в обычных условиях, даже в меди – одном из лучших проводников – один свободный электрон приходится на полтора-два миллиона атомов.

Таким образом, результаты Толмена и Стюарта не только демонстрируют наличие свободных электронов в металлах, но и свидетельствуют о таком ничтожном их количестве, что концепция газа свободных электронов в металлах оказывается совершенно неадекватной реалиям. Кстати, ничтожностью количества свободных электронов в металлах тривиально объясняется, почему теплоёмкость металлов, как и у диэлектрических кристаллов, подчиняется закону Дюлонга и Пти, т.е. почему свободные электроны в металлах не дают заметного вклада в теплоёмкость [5,6].

 

Связи между атомами металла: предварительные замечания.

Укажем на ещё один факт, сокрушительный для концепции газа свободных электронов в металлах. Этим фактом, проливающим свет на природу связей между атомами металла, является сводка средних величин междуатомных расстояний в металлических кристаллах – которые легко рассчитать на основе справочных значений атомных масс и плотностей. В таблице приведены рассчитанные нами междуатомные расстояния d и удвоенные значения 2r экспериментальных атомных радиусов (см., например, [7]), а также, в последнем столбце, даны отношения этих пар величин. Обращает на себя внимание то, что все эти отношения близки к единице. На наш взгляд, это свидетельствует о том, что кристаллическая решётка металла формируется при непременном участии самых внешних электронов, входящих в состав атомов – и, значит, структура решётки обусловлена не газом свободных электронов, а химическими связями, базовые принципы которых мы обсуждали в [8].

 

Металл	Атомная масса	Плотность, кг/м3	d, Ангстрем	2r, Ангстрем	d/2r
Литий	6.941	534	2.78	2.9	0.96
Натрий	22.99	971.2	3.41	3.6	0.95
Магний	24.31	1741	2.85	3.0	0.95
Алюминий	26.98	2700	2.56	2.5	1.02
Калий	39.10	851	4.24	4.4	0.96
Кальций	40.08	1550	3.51	3.6	0.98
Железо	55.85	7870	2.28	2.8	0.81
Кобальт	58.93	8710	2.24	2.7	0.83
Никель	58.70	8750	2.23	2.7	0.83
Медь	63.55	8930	2.28	2.7	0.84
Цинк	65.38	6920	2.51	2.7	0.93
Рубидий	85.47	1532	4.53	4.7	0.96
Молибден	95.94	10200	2.50	2.9	0.86
Серебро	107.9	10500	2.58	3.2	0.81
Цезий	132.9	1873	4.91	5.2	0.94
Вольфрам	183.9	19300	2.52	2.7	0.93
Платина	195.1	21370	2.48	2.7	0.92
Золото	197.0	19300	2.57	2.7	0.95

 

На первый взгляд, химические связи не могут обеспечить металлическую структуру. Ведь если у атома имеется всего один валентный электрон, то он может образовать одну химическую связь с соседним атомом, тогда как для формирования жёсткой трёхмерной решётки требуется, как минимум, три связи на атом. Конечно же, атом с единственным валентным электроном не может образовать три связи одновременно. Но мы полагаем, что он может образовывать их попеременно, связываясь с соседями по очереди. На наш взгляд, в этом и заключается главный секрет кристаллической структуры металлов: она является динамической, будучи обусловлена попеременными переключениями химических связей между соседними атомами. Тогда мы должны пояснить, как работает механизм, который обеспечивает эти переключения химических связей.

 

Чем обусловлены переключения химических связей в кристаллах металлов.

Рассмотрим случай металла с наименьшим возможным атомным номером – т.е. случай атома лития, у которого три электрона, из которых только один может участвовать в образовании текущей химической связи.

Как мы излагали ранее [9], атомарные электроны не находятся в орбитальном обращении вокруг ядра и не размазаны по т.н. «электронным облакам». Мы полагаем, что атомарные электроны находятся в достаточно компактных областях удержания – на таких расстояниях от ядра, которые соответствуют индивидуальным энергиям связи этих электронов. Валентный электрон у лития является самым слабо связанным из трёх, и его расстояние от ядра – наибольшее. Для обеспечения поочерёдных связей с соседними атомами, направленность валентной связки «протон-электрон» у атома лития должна скачкообразно изменяться. Нам представляется совершенно неправдоподобным, чтобы такие скачки осуществлялись через скачкообразные перемещения той области удержания, в которой удерживается один и тот же валентный электрон. Гораздо правдоподобнее выглядит допущение о том, что каждая из трёх связок «протон-электрон» у атома лития становится валентной по очереди – подчиняясь программному управлению, которое по очереди останавливает колебания зарядового разбаланса [10,9] в действовавшей валентной связке и начинает эти колебания в следующей связке, превращая её в валентную. Такие переключения статуса «валентной связки» не противоречат закону сохранения энергии. Что касается энергии возбуждения, соответствующей колебаниям зарядового разбаланса, то она всего лишь «перебрасывается» из предыдущей связки в следующую. Но этим дело не ограничивается. Междуатомные расстояния в решётке металла близки к удвоенному атомному радиусу (см. выше). Это означает, что очередная связка «протон-электрон», приобретающая статус валентной, заодно приобретает расклад энергий и размер, который имеет атомарная связка с внешним, самым слабо связанным электроном. Энергетически это проявляется как внутриатомный «переброс» кванта: сильно связанная пара «протон-электрон» становится связанной слабее, и наоборот. В итоге отдельный атом лития представляется нам как динамическая конструкция, у которой три электрона поочерёдно «вдвигаются и выдвигаются», причём самый «выдвинутый» электрон оказывается валентным. Из таких атомов, на наш взгляд, вполне может образоваться кристаллическая решётка, которая держится на переключаемых химических связях. Как следует из такой модели, металлическая структура может образоваться лишь из многоэлектронных атомов – и, действительно, все попытки получения «металлического водорода» оказались безуспешными.

Но эта модель сразу вызывает несколько вопросов. Первый вопрос – о том, чему равен промежуток времени, в течение которого очередная связка «протон-электрон» является валентной, и по истечении которого производится переключение статуса «валентной» на следующую связку. Мы полагаем, что этот промежуток времени является не характеристической величиной, а монотонной функцией температуры: по мере увеличения температуры, переключения валентных связок происходят всё чаще. Причём, если иметь в виду тот факт, что точки различных фазовых переходов у сплавов зависят от процентного соотношения компонентов, то, по-видимому, у различных металлов различаются и температурные зависимости периодов переключений валентных связок (численную оценку этой величины для обычных температур мы приведём в конце статьи).

Второй вопрос – следующий. Если атомы металлов представляют собой этакие «трансформеры» с переключаемыми направлениями ненасыщенных валентностей, то ассоциации возможны лишь из достаточного числа таких атомов. А именно, представляется весьма проблематичной стабильность двухатомных молекул металлов. Согласно же традиционным представлениям, такие молекулы должны быть стабильны настолько, насколько это позволяет одинарная ковалентная связь. Какой из этих двух подходов лучше согласуется с практикой? В литературе можно найти осторожные намёки на то, что двухатомные молекулы металлов – почему-то нестабильны. А вот и прямой текст: «двухатомные молекулы металлов… в обычных условиях неустойчивы и образуются лишь при низких температурах, да и «живут» короткое время» [11]. Или ещё: «В парообразном состоянии металлы одноатомны» [12]. Отчего же атомы металлов, имея ненасыщенные валентности, не образуют стабильных двухатомных молекул? В рамках традиционного подхода, эта аномалия не нашла разумного объяснения, тогда как наш подход эту аномалию легко объясняет. Заметим, что весьма тонкие эксперименты удаётся проводить с двухатомными молекулами металлов при экстремально низких температурах – например, с димерами цезия при 50-100 нанокельвинах [13]. Мы полагаем, что, при таких низких температурах, период переключений валентных связок настолько велик, что образовавшийся димер сохраняет свою конфигурацию в течение всего времени зондирования.

Таким образом, модель атомов-«трансформеров» с переключаемыми направлениями валентностей, а также модель динамических структур из таких атомов, не находятся в очевидном противоречии с опытом. Добавим, что о динамическом характере структуры металлов, которая держится на переключающихся химических связях, почти прямо свидетельствует следующий поразительный факт. В раскалённой стальной проволоке, к концам которой приложена постоянная разность потенциалов, «углерод перемещается к катоду. При 1065^оС подвижность ионов углерода равна 1.6×10^-9 (м/с)/(в/м)» [5] – это видно на травлёных шлифах!

 

Некоторые приложения модели динамической структуры металлов.

Соединения из 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 [14-16] – 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 –70^оС, 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.

 

Два механизма переноса электричества в металлах.

Эксперименты по измерению подвижности свободных электронов в металлах дают, что, при протекании постоянного электрического тока, скорость перемещения роя электронов составляtn миллиметры в секунду [5,17]. 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 [10] – волны которых распространяются в веществе именно со скоростью света [10], 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 300^оК 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. Об этом парадоксе мы уже говорили в ранней статье [18], но тогдашнее наше объяснение этого парадокса было ещё наивнее, чем сама концепция газа свободных электронов. Спрашивается: откуда известно, что свободные электроны в металла движутся с тепловыми скоростями? В реальном газе это действительно так: равновесное распределение устанавливается через столкновения. Но теперь мы знаем, что 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.

 

Что такое намагниченность?

Считается, что магнитное действие производят движущиеся электрические заряды, и, соответственно, стационарное магнитное действие производят стационарные движения зарядов, т.е. стационарные токи. Иногда говорят, что магнитное действие производит любой отрезок проводника с током. Это не вполне корректно: реальные токи замкнуты, и следует говорить о магнитном действии замкнутых токов.

Какие замкнутые токи могут быть, например, в намагниченном железе? О движении свободных электроном 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, на наш взгляд, гипотеза о спине электрона не выдерживает критики. Во-первых, до сих пор нет правдоподобной физической модели механизма собственного магнитного момента у электрона – предлагавшиеся модели оказывались клубками вопиющих противоречий. Во-вторых, никто на опыте не доказал, что электрону действительно присущ собственный магнитный момент. Например, никому не удалось расщепить электронный пучок надвое – в неоднородном магнитном поле. Подобные эффекты получаются с атомами – например, в известном опыте Штерна и Герлаха – причём, здесь расщепление атомного пучка надвое считают результатом действия неоднородного магнитного поля на спины атомарных электронов, имеющие две противоположные ориентации. Не странно ли: действия магнитного поля на спины электронов недостаточно, чтобы растащить эти электроны, но зато достаточно, чтобы растащить атомы, массы которых на четыре порядка больше!

Не используя сказочных представлений о спинах электронов, мы предлагаем модель намагниченности, которая логично следует из концепции зарядовых разбалансов. Мы полагаем, что порождающие намагниченность замкнутые токи обусловлены подвижками зарядовых разбалансов. Соответствующее движение электричества по замкнутым контурам, которое способно поддерживаться неопределённо долго, возможно далеко не в любом образце. Но такая возможность имеется, например, в металлических образцах – благодаря циклическим переключениям химических связей, о которых мы говорили выше. Можно сказать, что химические связи мигрируют по образцу, а вместе с ними способны мигрировать не только колебания зарядовых разбалансов, но и их постоянные составляющие, которыми имитируются ненулевые электрические заряды. Существует огромное множество возможных путей миграций химических связей в конкретном образце, но представляется логичным, что должны иметь место объёмчики, в пределах которых миграции химических связей оказываются упорядочены таким образом, что они следуют, практически, по одним и тем же путям. Соответственно, каждый такой объёмчик может обладать ненулевым суммарным магнитным моментом. Как можно видеть, границы между этими объёмчиками способны достаточно свободно перемещаться, т.е. одни объёмчики способны расти за счёт уменьшения других, откликаясь на внешнее магнитное воздействие – и это происходит без ущерба для макроструктуры образца. Фактически, мы обрисовали поведение доменов в намагничивающихся образцах. Только магнитный момент каждого домена обусловлен, на наш взгляд, не упорядоченностью спинов электронов, а упорядоченностью миграций химических связей, вместе с которыми мигрируют проимитированные электрические заряды.

 

А есть ли в природе сверхпроводимость?

К 100-летнему юбилею открытия явления сверхпроводимости опубликован труд В.К.Федюкина [19], где представлен беспрецедентный по своей глубине и простоте изложения критический анализ соответствующих экспериментов и их официальных теоретических интерпретаций. По результатам этого анализа автор сделал оглушительный вывод: в «сверхпроводящем» образце отнюдь не имеет место упорядоченное движение электронов в условиях нулевого омического сопротивления, а имеет место то, что автор называет «сверхнамагниченностью».

Дадим краткий обзор проделанного в [19] анализа экспериментов. В первых опытах 1911 г. со ртутью, Камерлинг-Оннес применял потенциометрический способ нахождения сопротивления, при котором оно рассчитывается на основе измеренных напряжения и силы тока. Однако, при сверхпроводящем режиме, чувствительность приборов была недостаточна для таких измерений. Поэтому перешли на другой способ свидетельства о сверхпроводимости – по магнитному полю образца. В кольцевом образце индуцировали электрический ток с помощью изменяющегося во времени магнитного поля. В результате, переохлаждённое кольцо становилось источником наведённого магнитного поля, которое годами (!) не ослабевало. Этот факт интерпретировали как незатухание электрического тока в кольце из-за полного отсутствия омического сопротивления. Но вот «Камерлинг-Оннесу пришло в голову разрезать сверхпроводящее свинцовое кольцо… Казалось, что ток должен прекратиться; в действительности, однако, отклонение магнитной стрелки, регистрировавшей силу тока, при перерезке кольца нисколько не изменилось – так, как если бы кольцо представляло собой не проводник с током, а магнит» [20] (цитируется по [19]). Далее, в 1933 г. Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что кольцевой проводник, охлаждённый ниже критической температуры в постоянном во времени магнитном поле, самостоятельно переходит в сверхпроводящее состояние. Но ведь в замкнутом контуре можно индуцировать ток магнитным полем лишь тогда, когда магнитный поток через контур изменяется во времени! «В опытах Мейсснера и Оксенфельда магнитное поле было постоянным во времени, и поэтому не существовало причин для возникновения в кольцевом (замкнутом) проводнике ни обычной проводимости, ни сверхпроводимости» [19]. Для объяснения же того факта, что наведённое магнитное поле «сверхпроводника» оказывалось сильнее, чем индуцирующее поле, Мейсснер выдвинул идею о вытеснении магнитного поля из сверхпроводника. Эта модель оказалась настолько противоречивой, что «эффект Мейсснера» «нельзя считать доказанным ни теоретически, ни экспериментально» [19]. Позднее, в 1962 г. Джозефсон предложил теорию, согласно которой через узкую диэлектрическую щель между двумя сверхпроводниками может протекать постоянный ток сверхпроводимости, способный вызывать переменный туннельный ток проводимости. В «переменности» туннельного тока – ключ к разгадке этого эффекта, а именно, «тока смещения, проходящего через разделённые диэлектриком части «сверхпроводника». При этом очевидно, что электроны не перескакивают через барьер…» [19]. А что такое «токи смещения»? Это – не движение электронов, а как раз волны зарядовых разбалансов [10]!

Автор [19] делает совершенно справедливый вывод о том, что все разнообразные проявления «сверхпроводимости» - включая такие эффектные, как опыт Аркадьева с постоянным магнитом, левитирующим внутри чаши из сверхпроводника – разом находят непротиворечивое и естественное объяснение, если допустить, что мы в действительности имеем здесь дело с проявлениями сверхнамагниченности образцов. Конечно же, в режиме сверхнамагниченности нет упорядоченного движения свободных электронов – такое движение непременно затухало бы из-за потерь на джоулево тепло.

Нелепые и противоречивые официальные представления о «сверхпроводимости» появились потому, что иного механизма переноса электричества в металлах, кроме как через движение свободных электронов, наука до сих пор не заметила. Между тем, как изложено выше, миграции зарядовых разбалансов, порождающие намагниченность образца, происходят совершенно без потерь на омическое сопротивление. Т.е., миграции зарядовых разбалансов являются истинными токами сверхпроводимости – даже при комнатной температуре.

Но остаётся вопрос: каков же физический смысл критической температуры? Что за фазовый переход происходит при охлаждении образца ниже этой температуры? Следуя логике изложенного в пункте «Что такое намагниченность?», мы полагаем, что при субкритической температуре имеет место макроупорядоченность переключений химических связей во всём объёме образца – такая, что, в терминах намагниченности, весь образец представляет собой один-единственный домен (не обязательно намагниченный до насыщения).

С учётом вышеизложенного, следует разборчиво подходить к заявлениям о применении сверхпроводников в науке и технике. Так, например, «сверхпроводящие» обмотки электромагнитов Большого адронного коллайдера отнюдь не являются сверхпроводниками. Ведь они работают при подключенных внешних источниках тока, которыми обеспечивается дрейф свободных электронов, т.е. обычный ток проводимости – а жидкий гелий, которым залиты обмотки, играет здесь роль эффективного хладагента, который сводит на нет джоулев разогрев. При истинной же сверхпроводимости происходит отнюдь не дрейф свободных электронов, и для её поддержания не требуются внешние источники тока.

 

Небольшое обсуждение.

Как мы постарались показать, главные механические, физические и химические свойства металлов находят непротиворечивое качественное объяснение на основе модели динамической структуры, обусловленной переключениями химических связей между атомами решётки.

Свободных электронов в металлах настолько мало, что концепция «газа свободных электронов» не соответствует реалиям. Перенос электричества в металлах происходит двумя способами: инерционным, через подвижки свободных электронов, и безынерционным, через подвижки зарядовых разбалансов. Первый из этих способов неизбежно сопровождается потерями на джоулево тепло, при втором же способе не происходит переноса вещества, поэтому здесь омическое сопротивление полностью отсутствует, и джоулево тепло не выделяется.

Факт ничтожности количества свободных электронов в металлах позволяет сделать вывод, что их вклад в теплопроводность также ничтожен. За высокую теплопроводность металлов ответственны, на наш взгляд, всё те же миграции химических связей в металлическом образце, вместе с которыми мигрируют кванты теплового возбуждения. Странным образом, в науке принято считать, что, при лазерной обработке металлического образца, температура в зоне термовоздействия повышается в результате действия лазерного излучения на свободные электроны. Так, читаем: «Поглощение света металлом приводит прежде всего к возрастанию энергии электронного газа» [21]. Но ведь свободный электрон, по определению, не может ни поглотить, ни излучить фотон – у электрона нет необходимых для этого внутренних степеней свободы. На наш взгляд, лазерное воздействие здесь производит возбуждение поверхностных атомов, которые – пока не произошла их ионизация – способны передавать возбуждение соседям через переключения химических связей. Тогда размер зоны термовоздействия должен зависеть от соотношения между длительностью лазерного импульса и периода переключений химических связей – и, значит, об этом периоде можно судить по результатам обработки металлов короткими и сверхкороткими лазерными импульсами. Известно (см., например, [22,23]), что при одной и той же рабочей плотности мощности, превышающей порог испарения, при длительности импульсов ~1 нс (и менее) происходит практически полное испарение материала – без образования жидкой фазы, которая образуется при более длинных импульсах. Отсюда можно сделать вывод о том, что период переключений химических связей в металлах, при обычных условиях, имеет сопоставимую величину, т.е. ~10^-9-10^-10 с.

 

За любезную помощь в доступе к первоисточникам автор благодарит А.Астафьева, В.Крюкова, и Ивана, автора сайта http://ivanik3.narod.ru .

 

 

Ссылки.

 

1.        R.C.Tolman, T.D.Stewart. Phys.Rev., 8 (1916) 97.

2.        R.C.Tolman, L.M.Mott-Smith. Phys.Rev., 28 (1926) 794.

3.        R.C.Tolman, S.Karrer, E.W.Guernsey. Phys.Rev., 21 (1933) 525.

4.        Р.Кристи, А.Питти. Строение вещества: введение в современную физику. «Наука», М., 1969.

5.        Р.В.Поль. Учение об электричестве. «Физматгиз», М., 1962.

6.        С.Г.Калашников. Электричество. «Наука», М., 1977.

7.        С.С.Бацанов. Структурная химия. Факты и зависимости. «Диалог МГУ», М., 2000.

8.        А.А.Гришаев. Новый взгляд на химическую связь и не парадоксы молекулярных спектров. – Доступна на данном сайте.

9.        А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы – отличительный признак валентных электронов. – Доступна на данном сайте.

10.     А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы в «нейтральных» атомах. – Доступна на данном сайте.

11.     Веб-ресурс  http://him.1september.ru/2004/14/21.htm

12.     Физический энциклопедический словарь. А.М.Прохоров, гл. ред. «Сов. энциклопедия», М., 1983.

13.     S.Knoop, et al. Magnetically Controlled Exchange Process in an Ultracold Atom-Dimer Mixture. Phys.Rev.Lett., 104, 053201 (2010).

14.     Б.Г.Лившиц. Металлография. «Металлургия», М., 1971.

15.     Б.Чалмерс. Физическое металловедение. «Гос. научно-техническое издательство литературы по чёрной и цветной металлургии», М., 1963.

16.     Г.Шульце. Металлофизика. «Мир», М., 1971.

17.     М.И.Каганов. Электроны, фононы, магноны. «Наука», М., 1979.

18.     А.А.Гришаев. Разноимённые электрические заряды, как противофазные квантовые пульсации. – Доступна на данном сайте.

19.     В.К.Федюкин. Не сверхпроводимость электрического тока, а сверхнамагничиваемость материалов. С.-Пб., 2008. Доступна на: http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=26013

20.  Я.И.Френкель. Сверхпроводимость. М.-Л., ОНТИ, 1936.

21.     С.И.Анисимов, Я.А.Имас, Г.С.Романов, Ю.В.Ходыко. Действие излучения большой мощности на металлы. «Наука», М., 1970.

22.     Т.В.Кононенко, и др. Сравнительное исследование абляции материалов фемтосекундными и пико/наносекундными лазерными импульсами. Квантовая электроника, 28, 2 (1999) 167.

23.  M.R.H.Knowles, et al. Micro-machining of Metals, Silicon and Polymers using Nanosecond Lasers. International Journal of Advanced Manufactured Technology, 33, № 1-2, May 2007, p. 95-102.

 

Источник:  http://newfiz.narod.ru

Поступило на сайт: 15 мая 2010.