ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА – ФИЛЬКИНА ГРАМОТА. ТЕОРИЯ СОЗДАНИЯ СТРУКТУРЫ ТВЁРДОГО ТЕЛА, ЖИДКОСТИ И ГАЗА.

ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА – ФИЛЬКИНА ГРАМОТА.

ТЕОРИЯ СОЗДАНИЯ СТРУКТУРЫ ТВЁРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.

 

А.И.БОЛУТЕНКО

 

E-mail: bolutenko@mail.ru                          Физика                          Главная

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Кристаллография о строении минералов до открытия интерференции х-лучей на кристаллах.

     1.1. История кристаллографии.

     1.2. Законы кристаллографии.

     1.3. Пространственная решётка. 230 пространственных групп Е.С. Фёдорова.

     1.4. Популяризация знаний о кристаллах.

     1.5. Выводы.

2. Физика о строении газов, жидкостей и твёрдых тел до открытия интерференции х-лучей на кристаллах.[A1] 

2.1. Теория строения газов.

2.2. Молекулярно-кинетическая теория жидкостей.

2.3. Модель строения твердого тела в молекулярно-кинетической теории.

2.4. Выводы.

3. Открытие Лауэ. Инструментальный метод определения структуры твёрдых тел.

     3.1. Открытие Лауэ.

     3.2. Выводы.

4. Достижения в исследовании структуры кристаллов. Радиусы атомов.

     4.1. Открытие Брэгга. Радиусы атомов.

     4.2. Атомные и ионные радиусы. Неопределённость их значений.

     4.3. Минерологи о системах определения радиусов атомов в кристаллах.

     4.4. Выводы.

5. Современная теоретическая физика о строении твёрдых тел – физика твёрдого тела.

     5.1. Превратное представление о строении твёрдого тела.

     5.2. Выводы.

6. Современные представления о структуре жидкости.

     6.1. Теория строения жидкости.

     6.2. Выводы.

7. Современная теория строения газа.

     7.1. Строение газа.

     7.2. Выводы.

8. Молекулярно-кинетическая теория – мощный тормоз для развития теоретической физики.

     8.1. Влияние открытий Лауэ и Брэгга на развитие теории строения вещества.

     8.2. Упущенные возможности в понимании строения вещества.

     8.3. Открытие отсутствия кинетики в кристаллах.

     8.4. Выводы.

9. Современное состояние представлений о строении минералов в кристаллографии.

     9.1. Влияние открытия Брэгга на представления о структуре кристаллов.

     9.2. Выводы.

10. Судьбоносная для науки ошибка Брэгга – начало лжи в физике твёрдого тела.

     10.1. Ошибка Брэгга превратило физику твёрдого тла в филькину грамоту.

     10.2. Открытие истины об атомах в кристаллах.

     10.3. Выводы.

11. Теория создания структуры физических объектов: твёрдых тел, жидкостей и газов.

     11.1. Теория создания структуры физических объектов.

     11.2. Выводы.

12. Общие выводы.

13. ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ

 

 

А1. Кристаллография о строении минералов до открытия интерференции х-лучей на кристаллах.

 

 

1.1. История кристаллографии.

 

     Истоки кристаллографии можно усмотреть ещё в античности, когда греки предприняли первые попытки описания кристаллов [1]. При этом большое значение придавалось их форме. Греками же была создана геометрия, выведены пять платоновых тел и сконструировано множество многогранников, позволяющих описывать форму кристаллов. Одним из первых законов, замеченных в отношении формы кристаллов, был закон постоянства углов между гранями или рёбрами кристаллов (И. Кеплер; Н. Стенон, ХVII в.): на разных индивидах одного и того же кристаллического вещества углы между соответственными гранями или pёбpaми одинаковы. Стенон первый предложил рациональное объяснение этого, состоящее в послойном нарастании граней при увеличении объёма кристалла, а Кеплер выдвинул первую правильную, хотя и неполную теорию строения кристаллов из шаров одинакового диаметра. Довольно давно были отмечены и такие общие особенности кристаллов, как однородность – постоянство свойств кристалла в любой его точке, и анизотропность – различие свойств кристалла по непараллельным направлениям. С анизотропностью тесно связана группировка всех граней кристалла в призматические пояса, оси которых имеют вполне определённые взаимные ориентировки. Эти оси, как и параллельные им рёбра между гранями одной зоны, соответствуют направлениям с наиболее плотным расположением атомов. Не могло остаться без внимания одно из основных свойств кристаллов – их симметричность, визуально выражающаяся в закономерном, расположении одинаковых граней кристалла. Эти и многие другие геометрические и физические закономерности, обнаруженные в кристаллах, привели к середине XIX в. к представлению об их трёхмерно-периодическом или решётчатом строении.

 

     К нашему времени открыто более 4 тыс. минеральных видов [2]. Историю развития кристаллографии можно разделить на три основных этапа:

1. период постепенного накопления фактического материала, выявления и осмысления особенностей кристаллов длился почти до начала XIX в.;

2. XIX век – период интенсивного теоретического исследования форм и выявления законов внутреннего строения кристаллов;

3. экспериментальный период с отчетливым прикладным направлением.

Рождение же кристаллографии как науки связано с работами датского естествоиспытателя Н. Стенона, который в 1669 г. сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристаллов происходит не изнутри, как растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне жидкостью...». Эта идея послойного роста кристаллов сохранила свое значение до сих пор. В последующие годы закон постоянства углов подтверждали независимо друг от друга многие авторы. Окончательно закон постоянства углов утвердился в науке более чем через 100 лет после первого открытия -- в 1783 г., после выхода в свет книги французского минералога Ж.-Б.-Л. Роме де Лиля «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства», в которой он писал: «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов». В 1830 г., немецкий профессор минералогии И.Ф. Гесселъ пишет трактат «Кристаллометрия» с выводом 32 классов симметрии. Французский кристаллограф О. Браве, исходя из однородности кристалла, пришел к выводу, что центры тяжести молекул располагаются в кристалле по закону трехмерной периодичности в виде узлов пространственной решетки. В 1855 г. Браве вывел 14 типов пространственных решеток, отличающихся друг от друга формой и симметрией. Этим он заложил основу современной структурной кристаллографии. Кроме осей симметрии О. Браве ввел еще два геометрических образа – элемента симметрии, с помощью которых выявляется симметрия кристаллов: центр симметрии и плоскость симметрии. Дальнейшим шагом в развитии учения о симметрии кристаллов явились труды великого русского кристаллографа Е.С. Федорова, который в 1855 г. заново дал оригинальный вывод 32 классов симметрии, которым подчиняется внешняя огранка кристаллов. Федоров был первым, кто занялся выяснением геометрических законов, управляющих расположением в кристаллах атомов, молекул и ионов. Федоров считал кристалл состоящим из параллелоэдров – многогранников, расположенных в параллельном положении друг относительно друга. Каждый параллелоэдр – это молекула! Таким образом, решетчатое строение по Федорову – это совокупность кристаллических молекул.

 

 

1.2. Законы кристаллографии.

 

     Кристаллография – одна из главных фундаментальных наук о Земле, ее веществе: кристаллах и процессах их образования, об их внешней форме, внутреннем строении и физических свойствах [3].

Что же такое кристалл? Это огромная совокупность одинаковых атомов, ионов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке. Таким образом, кристаллы – твердые тела с упорядоченным внутренним строением на уровне атомов и молекул, т. е. тела, обладающие трехмерно-периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого, при определенных условиях образования, форму многогранников.

Если бы можно было рассмотреть кристаллическое вещество при сверхувеличении в миллиарды раз, то мы бы увидели, что одинаковые атомы (или частицы) регулярно повторяются с одинаковым шагом в параллельных рядах и плоских параллельных слоях.

Частицы, из которых сложены кристаллы, образуют правильные, симметричные ряды, сетки, решетки. Грани кристаллов пересекаются по рёбрам, а последние же пересекаются в вершинах. Грани, рёбра и вершины кристалла являются элементами его огранения.

Когда кристалл растет, частицы выстраиваются в закономерные и симметричные ряды, сетки, решетки. Грани кристаллических многогранников соответствуют плоскостям, составленным из материальных частиц, ребра кристалла – линиям пересечения этих плоскостей, т. е. рядам материальных частиц. Кристалл растет так, что частицы вещества из окружающей среды отлагаются на его гранях. Грани нарастают параллельно самим себе. Меняются площади граней, их форма, какие-то грани могут вытесняться соседними и зарастать, но взаимный наклон граней остается неизменным. Поэтому углы между гранями тоже остаются постоянными.

Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга внешней формой. У кристаллов одного и того же вещества облик может оказаться совсем различным, размеры, формы и даже число граней разные, но углы между соответствующими гранями кристаллов одного вещества всегда постоянны.

Первые представления о структуре кристалла были сформулированы только на основании изучения симметрии природных многогранников.

 

     Задолго до открытия интерференции х-лучей на кристаллах кристаллографы сделали значительный прорыв в изучении структуры минералов [4]. Были открыты четыре основных закона геометрической кристаллографии:

1) Закон постоянства симметрии утверждает, что все кристаллы одного какого-либо минерала, вне зависимости от формы, имеют одинаковую симметрию.

2) Закон постоянства углов гласит, что углы между соответственными гранями в однотипных сечениях разных кристаллов одного вида всегда равны, независимо от формы и размеров этих граней. Поскольку реальные кристаллы природных минералов часто приобретают искажённую форму, углам между гранями в кристаллографии придаётся более важное значение, чем форме и размерам граней. Закон постоянства углов между гранями кристаллов был открыт в 1669 году на кристаллах кварца датчанином Н. Стеноном, и с этого открытия началась история научной кристаллографии. Общая формулировка этого закона принадлежит Роме Делилю, фактически заново открывшему его в 1783 году.

3) Закон рациональности отношений параметров, установленный великим французским кристаллографом Р.-Ж. Гаюи в 1784 году, утверждает, что все грани кристалла отсекают на кристаллографических осях отрезки, длины которых либо бесконечны, когда грань параллельна оси, либо же относятся к длинам единичных отрезков, как небольшие целые числа.

4) Закон зон, сформулированный в 1803 году немецким учёным Х. Вейсом, связывает математической зависимостью положение граней и рёбер кристалла, составляющих одну зону. Зоной со времён И. Кеплера, с 1611 года, называют совокупность граней с взаимопараллельными рёбрами. Закон даёт возможность вычислять символы рёбер кристалла из индексов смежных граней, входящих в состав зоны.

 

     В природных условияхкристаллы не всегда развиваются в благоприятных условиях и не имеют идеальных форм [5]. Очень часто кристаллы имеют не полностью развившиеся формы, с недоразвитыми элементами огранения: нередко в кристаллах одного и того же мирнерала величина и форма граней могут значительно меняться. Часто в почвах и горных породах встречаются не целые кристаллы, а лишь их обломки. Однако, углы между соответствующими гранямии (и рёбрами) кристаллов различных форм одного и того же минерала всегда остаются постоянными – это закон постоянства углов. Постоянство углов связано с тем, что все кристалы одного и того же вещества имеют структуру, тождественную по своему внутреннему строению.

 

     Итак, не форма кристаллов, не размер граней, а угол между ними является определенной величиной для каждого кристалла [6].

 

     Основные законы кристаллографии были получены при изучении внещней огранки кристаллов, поэтому их называют геометрическими [7]. Огранение кристаллов характеризуется, прежде всего, наличием плоских граней. У кристаллов одного и того же вещества форма и даже число граней могут быть разными, но их можно расположить в пространстве так, что некоторые грани окажутся параллельными – это соответственные грани.

Важнейшую роль в понимании структуры минералов для криисталлографии имеет закон рациональных параметров. Если в качестве трёх координатных осей кристалла выбрать некоторые его рёбра, то отрезки, отсекаемые гранями на осях кристалла, относятся, как целые числа. Таким образом, эти отрезки могут быть выраженвы как кратные некоторых осевых единиц. Наличие таких осевых единиц в трёх направлениях приводит к выводу о трёхмерной микропериодичности строения кристаллов. Из закона рациональных параметров и представлений об атомизме с необходимостью вытекает утверждение о трёхмерно-периодическом  атомном строении кристаллов.

 

 

1.3. Пространственная решётка. 230 пространственных групп Е.С. Фёдорова.

 

     Все возможные комбинации закрытых элементов симметрии конечных фигур образуют 32 точечные группы [8]. Наличие в бесконечных пространственных решётках дополнительных открытых элементов симметрии увеличивает число таких комбинаций до 230. Таким образом, в бесконечных пространственных решётках существует 230 пространственных групп симметрии. Каждой точечной группе соответствует определённое количество пространственных групп. Теория о 230 пространственных группах является основой учения о пространственных структурах кристаллов, впервые была математически обоснована  в 1890 году Е.С. Фёдоровым. Симметрия любой кристаллической структуры расположения атомов в любой решётке полностью описывается одной из 230 пространственных групп. Для полного геометрического описания пространственной решётки необходимо знать её простроанственную группу и параметры элементарной решётки.

 

      Что же представляет пространственная решётка и каковы её свойства?

 

     Примем какой-либо узел (атом) пространственной решётки за исходный [9]. Ближайший к нему такой же атом находится на некотором расстоянии. Продолжив прямую, получим серию узлов, расположенных вдоль этой прямой на равном расстоянии друг от друга. Совокупность узлов, лежащи[ ]х на одной прямой – ряд пространственной решётки. Расстояние между соседними узлами – промежуток ряда. Число узлов, приходящихся на единицу длины ряда, представляет плотность ряда. Одно из основных свойств пространственной решётки состоит в том, что через любой узел решётки всегда можно провести ряд, параллельный данному ряду, причём все параллельные ряды имеют одинаковую плотность.

Если взять ближайший к ряду узел и продолжить новый ряд, то уже два этих ряда определяют положение плоскости, которая пройдёт через бесконечное множество рядов и узлов пространственной решётки. Совокупность узлов пространственной решётки, лежащих в одной плоскости, представляют плоскую сетку. Узлы всякой плоской сетки можно расположить в вершинах равных и параллельных друг другу параллелограммов. Число узлов, приходящихся на единицу площади плоской сетки, называется её ретикулярной плотностью.

Согласно второму основному свойству пространственной решётки через любой узел решётки можно провести плоскую сетку, параллельную данной и имеющую такую же ретикулярную плотность. Таким образом в решётке параллельно каждой плоской сетке проходит бесконечное множество тождественных плоских сеток. Совокупность параллельных друг другу плоских сеток пространственной решётки представляют серию плоских сеток. Расстояние между двумя ближайшими параллельными плоскими сетками кристалла – его межплоскостное расстояние.

В пространственной решётке имеется бесчисленное множество различным образом ориентированных плоских сеток, поскольку через три любых узла решётки всегда можно провести плоскую сетку. Плоские сетки, располложенные по трм осям координат, взаимно пересекаясь, образуют систему равных, параллельно ориентированных и смежных по целым граням параллелепипедов, которые и являются пространственной решёткой. Все узлы пространственной решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов. Если известно расположение узлов решётки у одного параллелепипеда, то можно построить всю решётку параллельным повторением данного, поступательно перемещая параллелепипед на величину его рёбер по их направлению. Это – параллелепипед повторяемости. Параллелепипеды повторяемости можно выделить в пространственной решётке самым различным образом.Параллелепипеды повторяемости, имеющие узлы только в своих вершинах, называются примитивными. Вершины примитивных параллелепипедов образуют все узлы данной пространственной решётки.

Если узлы решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов повторяемости, то каждый узел принадлежит одновременно восьми попарно смежным параллелепипедам. Пространственная решётка представляет собой бесконечную фигуру, поскольку каждый из рядов решётки может быть продолжен неопределённо далеко. Реальные кристаллы являются телами конечных размеров, поэтому их можно рассматривать как части пространственных решёток, ограниченные плоскостями – гранями. Согласно учения о пространственной решётке грани кристалла представляют собой плоские сетки, а рёбра – ряды его решётки. Необходимо при этом иметь в виду, что реальные кристаллические вещества часто образуют сложные решётки, состоящие из двух или нескольких геометрически равных простых пространственных решёток, определённым образом вставленных друг в друга. Такие сложные решётки получили название кристаллических решёток. Узлами кристаллических решёток являются всегда только атомы или ионы химических элементов. Всякий атом или ион представляет собой весьма сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек. Поэтому между атомами и ионами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. В грубой схеме два соседних атома будут притягиваться друг к другу до тех пор, пока силы притяжения не будут уравновешены силами отталкивания. А так как атомы различных химических элементов имеют различное строение, то неодинаковы и силы их взаимодействия. Следовательно, и расстояния между атомами различных химических элементов в кристаллической решётке должны быть разными. Вот почему вещества различного химического состава имеют различные кристаллические решётки. Это – основной закон о кристаллических решётках, на котором базируется вся кристаллохимия.

 

     Реальная структура кристалла – это конкретное расположение частиц, образующих кристалл, в пространстве [10]. Кристаллу присуще правильное расположение атомов с периодической повторяемостью их в трех измерениях. Модель, описывающая структуру кристалла, может быть представлена пространственной решеткой, отражающей геометрические параметры структуры. Ввиду периодичности для описания крнисталлической решётки достаточно знать расположение частиц в элементарной ячейке, повторением которой путем трансляций образуется вся структура кристалла. Элементарная ячейка может иметь форму прямоугольного или косоугольного параллелепипеда, квадратной или косоугольной призмы. Размеры ребер элеменарной ячейки называют периодами решетки. В кристаллографии существует 14 различающихся по симметрии пространственных трансляционных решеток, называемых решетками Браве.

Существованием кристаллической решетки объясняется анизотропия свойств кристалла, плоская форма их граней, постоянство углов и прочие законы геометрической кристаллографии. В элементарной ячейке кристаллической решетки может быть от одного (для химических элементов) до десятков и тысяч (для соединений) атомов. Но везде любому атому данной ячейки соответствует трансляционно идентичный ему атом любой другой ячейки кристалла. Реальная структура кристалла всегда отличается от идеальной модели.

В пространстве решетки можно выделить плоские сетки, которые также получаются трансляцией элементарных параллелограммов, называемых ячейками плоской сетки, вершины которых являются узлами. Если элементарная ячейка не содержит внутри себя узлов, ее называют примитивной. Таким образом, плоскую сетку можно определить как систему одинаковых элементарных ячеек, полученных параллельным переносом, прилегающих друг к другу без промежутков.

На основе плоской ячейки можно построить объемную элементарную ячейку, трансляцией которой получается объемная решетка, т.е. трехмерная система эквивалентных узлов. Для описания пространственной решетки, отражающей структуру кристалла, применяется метод кристаллографического индицирования. Основные понятия, его характеризующие, это символы узлов, символы рядов (ребер) и символы плоскостей.

 

 

1.4. Популяризация знаний о кристаллах.

 

     Учёные-кристаллографы всегда работали с конкретным материалом [11]. Кристаллы настолько привлекательны, что с давних времён делались собрания минералов и образовывпались минералогические музеи, которые предназначены для экспозиции кристаллов, камней и других экспонатов минерального происхождения. В музее хранятся объекты, представляющие историческую и познавательную ценность. Музеи осуществляют научную популяризацию знании о кристаллографии. Во всём мире насчитывается около 500 минералогических музеев. Одной из главнейших задач и функций ведущих минералогических музеев была, есть и будет популяризация научных знаний.

 

     Минералогический музей имени А.Е. Ферсмана – один из наиболее известных среди 500 минералогических музеев мира [12]. В основных коллекциях музея более 135000 экспонатов со всего мира – природные кристаллы и другие формы минералов, изделия из камня работ старых и современных мастеров, драгоценные камни, метеориты и многое другое. Музе основан в 1716 году в Санкт-Петербурге как минеральный кабинет Кунсткамеры. С 1725 года находится в ведении Российской академии наук. Вместе с академией наук музей в 1934 году переехал в Москву.

 

     По всему миру во многих странах и городах с седых времён находятся минералогические музеи, и каждый человек, которого профессионально интересовало строение твёрдого тела, мог свободно посетить музей, чтоб увидеть Божественный мир кристаллов и их разнообразную форму [13]. Ведь кристаллография – это физика твёрдого тела, истоки зарождения которой относятся к 1669 году, когда Н. Стенон сформулировал основные понятия о формировании кристаллов.

 

 

1.5. Выводы.

 

1. Истоки кристаллографии можно усмотреть ещё в античности, когда греки предприняли первые попытки описания кристаллов.

 

2. Первым был открыт закон постоянства углов между гранями или рёбрами кристаллов (И. Кеплер; Н. Стенон, ХVII в.).

 

3. Стенон первый предложил рациональное объяснение постоянства углов в послойном нарастании граней при увеличении объёма кристалла.

 

4. Кеплер выдвинул первую правильную теорию строения кристаллов из шаров одинакового диаметра.

 

5. Отмечено одно из основных свойств кристаллов – их симметричность, визуально выражающаяся в закономерном, расположении одинаковых граней кристалла.

 

6. Геометрические и физические закономерности, обнаруженные в кристаллах, привели к середине XIX в. к представлению об их трёхмерно-периодическом или решётчатом строении.

 

7. Кристаллы – твердые тела с упорядоченным внутренним строением на уровне атомов и молекул, обладающие трехмерно-периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого, форму многогранников.

 

8. При росте кристалла частицы выстраиваются в закономерные и симметричные ряды, сетки, решетки. Грани кристаллических многогранников соответствуют плоскостям, составленным из атомов, ребра кристалла – линиям пересечения этих плоскостей, т. е. рядам атомов.

 

9. Рост криисталла – отложение вещества из окружающей среды на его гранях. Грани нарастают параллельно самим себе, взаимный наклон граней остаётся неизменным и углы между гранями тоже остаются постоянными.

 

10. Задолго до открытия интерференции х-лучей на кристаллах кристаллографы сделали значительный прорыв в изучении структуры минералов, были открыты четыре основных закона геометрической кристаллографии: закон постоянства симметрии, закон постоянства углов, закон рациональности отношений параметров и закон зон.

 

11. Постоянство углов связано с тем, что все кристалы одного и того же вещества имеют структуру, тождественную по своему внутреннему строению.

 

12. Теория о 230 пространственных группах является основой учения о пространственных структурах кристаллов. Симметрия любой кристаллической структуры расположения атомов в любой решётке полностью описывается одной из 230 пространственных групп.

 

13. Любой узел (атом) пространственной решётки находится к. ближайшему атому на некотором расстоянии.

 

14. Совокупность параллельных друг другу плоских сеток пространственной решётки представляют серию плоских сеток. Расстояние между двумя ближайшими параллельными плоскими сетками кристалла – его межплоскостное расстояние.

 

15. Узлами кристаллических решёток являются всегда только атомы или ионы химических элементов. Между атомами и ионами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Два соседних атома будут притягиваться друг к другу до тех пор, пока силы притяжения не будут уравновешены силами отталкивания.

 

16. Вещества различного химического состава имеют различные кристаллические решётки. Это – основной закон о кристаллических решётках, на котором базируется вся кристаллохимия.

 

17. В элементарной ячейке кристаллической решетки может быть от одного (для химических элементов) до десятков и тысяч (для соединений) атомов.

 

18. Во всём мире насчитывается около 500 минералогических музеев. Одной из главнейших задач и функций ведущих минералогических музеев была, есть и будет популяризация научных знаний.

 

19. Минералогический музей имени А.Е. Ферсмана, основанный в 1716 году, – один из наиболее известных среди 500 минералогических музеев мира, в основных коллекциях музея более 135000 экспонатов со всего мира.

 

20. Кристаллография – это физика твёрдого тела, истоки зарождения которой относятся к 1669 году, когда Н. Стенон сформулировал основные понятия о формировании кристаллов.

 

21. Каждый минерал – твёрдое тело, которое имеет свою неповторимую структуру.

 

 

А2. Физика о строении газов, жидкостей и твёрдых тел до открытия интерференции х-лучей на кристаллах.

 

     Рассмотрим, каких успехов достигла теоретическая физика в познании строения физических объектов до открытия интерференции х-лучей на кристаллах.

 

 

2.1. Теория строения газов.

 

     Началом становления молекулярно-кинетической теории послужила теория М. В. Ломоносова [14]. Ломоносов опытным путём опроверг теории о теплороде и флогистоне, подготовив, тем самым, молекулярно-кинетическую теорию XIX века Рудольфа Клаузиуса, Людвига Больцмана и Джеймса Максвелла.

Молекулярная теория рассматривает строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

1) все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;

2) частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

3) частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

МКТ стала одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали диффузия, броуновское движение, а также изменение агрегатных состояний вещества.

На основе МКТ развит целый ряд разделов современной физики, в частности, физическая кинетика и статистическая механика. В этих разделах физики изучаются не только молекулярные (атомные или ионные) системы, находящиеся не только в «тепловом» движении, и взаимодействующие не только через абсолютно упругие столкновения. Термин же молекулярно-кинетическая теория в современной теоретической физике уже практически не используется, хотя он встречается в учебниках по курсу общей физики.

 

     Молекулярно-кинетическая теория газов изучает их свойства статистическими методами на основе представления об их молекулярном строении и определенном законе взаимодействия между молекулами [15]. Газ – агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы слабо взаимодействуют и хаотически движутся в результате столкновений друг с другом, занимая весь предоставленный им объем.

Кинетическая теория газов строится на некоторых общих представлениях и опытных фактах. Модель идеального газа – это газ, молекулы которого можно рассматривать как материальные точки и для которого можно пренебречь потенциальной энергией взаимодействия молекул по сравнению с их кинетической энергией. Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда считаются абсолютно упругими.

Основные положения молекулярно-кинетической теории газов следующие:

Первое положение молекулярно-кинетической теории – полная хаотичность движения молекул. В газе все направления движения молекул равноправны. Нет ни одного направления, в котором молекулы двигались бы в большем количестве или в котором преобладали бы более быстрые по сравнению с любым другим направлением молекулы.

Второе основное положение – пропорциональность средней скорости молекул корню квадратному их абсолютной температуры. Это положение является результатом опытов.

Третье положение – средние кинетические энергии молекул разных газов, находящихся при одинаковой температуре, равны между собой. Это положение также является результатом опытов.

 

     Молекулярно-кинетическая теория – учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химического вещества [16]. В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов. Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными и состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействии, скорость которого зависит от температуры, а характер – от агрегатного состояния вещества.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10–8 м, то есть в сотни раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда.

 

Молекулярно-кинетическая теория идеального газа разработана М.В. Ломоносовым и свое дальнейшее развитие получила в работах Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и на современном этапе – Я.И. Френкеля [17].

В основе теории лежат следующие допущения:

1. Каждый газ состоит из молекул, которые можно рассматривать как однородные совершенно упругие шарики. Причем размеры этих шариков-молекул настолько малы по сравнению с межмолекулярными расстоя-ниями, что их можно рассматривать как отдельные материальные точки.

2. Столкновения молекул между собой подчиняются законам упругих шаров.

3. Молекулы не взаимодействуют друг с другом, пока не столкнутся.

4. Движение молекул в газе хаотично и непрерывно поступательно.

Молекула в разные моменты времени обладает разнообразными скоростями как по величине, так и по направлению. Поэтому очень трудно описать движение отдельной молекулы. Однако в целом к огромному количеству молекул вследствие беспорядочности их движения можно применять законы теории вероятности и молекулы по скоростям движения при данной температуре распределяются строго определенным образом. Примерно половина всех молекул обладает средней скоростью.

Молекулярно-кинетическая теория объяснила многие свойства газов, например стремление их занять возможно больший объем, давление на стенки сосудов, рост давления с повышением темпера туры и т.д.

 

 

2.2. Молекулярно-кинетическая теория жидкостей.

     Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия теплового движения его молекул примерно равна средней потенциальной энергии их взаимодействия [18]. До настоящего времени законченной количественной теории жидкого состояния нет, на качественном же уровне МКТ может объяснять явления, происходящие с жидкостями.

1. Из-за того, что расстояние между молекулами жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу, поэтому жидкости в отличие от газов обладают собственным объёмом, практически несжимаемы, плотность жидкостей при обычных условиях в сотни и тысячи раз больше плотности газов.

2. Вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определённом порядке, в целом в жидкости именно такой порядок не сохраняется, поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок.

3. Молекулы жидкости совершают хаотическое движение вблизи некоторого положения равновесия (колебания), изредка переходя в новое состояние равновесия (совершают перескоки), которые происходят случайным образом. Если на жидкость действует сила, например, сила тяжести, то перескоки происходят в направлении силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

4. На границе с газом жидкость образует свободную поверхность. Поверхностный слой жидкости – резкая граница, отделяющая жидкость от газа над ней, существует из-за большого различия плотностей жидкости и газа. Поверхностный слойпредставляет собой подобие упругой плёнки из самой жидкости (можно положить осторожно, не нарушая слоя, иголку или лезвие бритвы на поверхность воды). Благодаря существованию поверхностного слоя возможно образование капли, мыльного пузыря, движение насекомых (водомерки) по поверхности воды.

Основное свойство поверхностного слоя: он стремится сократиться и принять наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Из всех тел при данном объёме наименьшая площадь поверхности у шара, вот почему капля жидкости, мыльный пузырь в невесомости имеют форму шара.

МКТ объясняет существование поверхностного слоя так: молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами её внутренних слоёв. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю. У «поверхностных» молекул соседних молекул «сверху» меньше, чем «снизу». Молекулы поверхностного слоя под действием результирующей силы, втягиваются внутрь жидкости. В результате они оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая её поверхность до минимума. Этот эффект называется поверхностным натяжением.

     Жидкость – вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным [19]. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму. Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молекулами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Объяснение поведения жидкостей на основе характера молекулярного движения жидкости было дано советским ученым Я. И. Френкелем. Оно заключается в следующем. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.

     Молекулярно-кинетические свойства обусловлены непрерывным хаотическим движением молекул и атомов [20]. Молекулярно-кинетическая теория изучает законы самопроизвольного движения молекул в жидкостях и газах. Эта теория, разработанная в начале XX в. А. Эйнштейном, имела большое значение, поскольку явилась прямым доказательством существования молекул.

 

 

2.3. Модель строения твердого тела в молекулярно-кинетической теории.

 

     Твердое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия [21]. Твердое тело в обычных условиях трудно сжать или растянуть. Для придания твердым телам нужной формы или объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках. В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свою форму и объем. Это объясняется тем, что притяжение между атомами (или молекулами) у них больше, чем у жидкостей. Оно достаточно, чтобы удержать атомы около положений равновесия. Молекулы или атомы большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, движения эти представляют собой колебания около определенных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем. Кроме того, в отличие от жидкостей, точки положений равновесия атомов или ионов твердого тела, будучи соединенными, располагаются в вершинах правильной пространственной решетки, которая называется кристаллической. Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, называются узлами кристаллической решетки.

     В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения: все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов [22]. Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Согласно молекулярно-кинетической теории твердые тела состоит из мельчайших частиц (молекул, атомов или ионов), стабильность которых поддерживают внутримолекулярные силы. В твердом теле эти силы достаточно велики для того, чтобы удержать молекулы вместе, придавая этому веществу его жесткую форму. Молекулы в твердом теле совершают непрерывное колебательное движение около некоторого среднего положения. Они не перемещаются внутри объема твердого тела. По мере повышения температуры амплитуда колебаний молекул увеличивается, а вместе с тем возрастает число молекул, оторвавшихся от среднего положения, вокруг которого они совершали колебания.

 

     С античных времён любознательных интересовало, как устроены твёрдые тела, жидкости и газы. Первый камень в фундамент знаний о природе физических объектов заложил Демокрит, когда предложил гипотезу, что все тела состоят из мельчайших неделимых частиц – атомов. Но как же отдельные атомы образуют тела окружающей природы, какова структура физических объектов?

     К большому сожалению, физики-теоретики не воспользовались прорывом кристаллографов в физике минералов. Физики-теоретики  всерьёз не принимали прикладную науку, а зря. Если бы хотя б один физик посетил минералогический музей и увидал чудо кристаллов, не появилась бы такая несусветная глупость как молекулярно- кинетическая теориия твёрдых тел.

     Божественность структуры твёрдого тела минерологи познали ещё задолго до открытия х-лучей, ещё не пришло время открытия Лауэ интерференции рентгеновских лучей при облучении ими кристаллов.

     Когда физики не знали, как подойти к открытию тайны структуры физических объектов и руководствовались молекулярно-кинетической теорией, минерологи по внешним признакам горных пород познали строение минералов. Молекулярно-кинетическая теория описывала структуру веществ как хаос.

     Глупо создавать теории строения вещества для каждого агрегатного состояния. Такой подход имел бы смысл, если бы вещества не могли переходить при изменениии условий в иное состояние. Должна бть одна универсальная теория, объясняющая состояние вещества в зависимости от внешних условий. Тем более, когда одно и то же вещество может находиться в разлияных агрегатных состояниях или кристаллических модификациях.

 

 

2.4. Выводы.

 

1. Должна бть одна универсальная теория, объясняющая состояние вещества в зависимости от внешних условий.

 

 

А3. Открытие Лауэ. Инструментальный метод определения структуры твёрдых тел.

 

3.1 Открытие Лауэ.

 

     В январе 1915 года У. Г. Брэгг, отец Нобелевского лауреата У. Л. Брэгга, писал, что два года прошло с тех пор, как д-р Лауэ предложил идею использовать кристалл как «пространственную дифракционную решетку» для Х-лучей [23]. Успешное осуществление этой идеи Фридрихом и Книшшнгом открыло обширную область исследований, где уже получены результаты исключительной важности и значения. Стала доступной рассмотрению архитектура кристаллов. Кристаллография больше уже не обязана опираться только на внешнюю форму кристаллов, а может основываться на точных сведениях о расположении атомов внутри кристаллов. Чтобы охватить возможности и понять современное развитие этой новой области науки, необходимо овладеть Х-лучами и кристаллографией. Поскольку эти отрасли науки никогда ранее не соприкасались, можно ожидать, что тем, кто проявит интерес к этим новым проблемам, будет мешать незнание одного или другого из этих взаимосвязанных вопросов. Поэтому в этой небольшой книге мой сын и я сделали первую попытку представить основные факты и принципы, относящиеся к Х-лучам и кристаллам.

 

     Хотя физики-теоретики игнорировали минералогию, как прикладную науку, но, наконец, встретились физик, который отлично владел вопросом дифракции лучей света, и, по всей видимости, минеролог, который отлично знал теорию роста кристаллов. И эта встреча была решающим шагом в познании глубин матеррии: был разработан инструментальный метол исследования строения вещества.

 

     Молодой исследователь Пауль Эвальд, работу которого курировал Макс Лауэ, приступил к исследованию оптических свойств кристаллов [24]. Он обратился к Максу фон Лауэ с просьбой описать математически поведение световых волн в кристаллах. Предполагалось, что кристалл может служить трехмерной дифракционной решеткой с атомами в её узлах, которые образуют периодически повторяющийся правильный рисунок. Лауэ не удалось вывести формулу дифракции света в кристалле, однако у него родилась другая идея. В то время Лауэ интересовало, не является ли открытое  Рентгеном излучение одной из форм электромагнитного излучения с очень короткой длиной волны. Макс Лауэ стал наблюдать за поведением лучей света в кристаллах и пришел к мысли, что длина волны рентгеновского излучения может иметь тот же порядок, что и расстояние между атомами кристаллической решетки . То есть, если рентгеновское излучение представляет собой одну из форм электромагнитного, то кристалл должен действовать на него как трехмерная дифракционная решетка. По различным направлениям из кристалла должно исходить рассеянное на различных атомах дифракционное излучение, порождающее дифракционную картину. В апреле 1912 года на кристалл сульфата меди (медного купороса) Макс Лауэ направил узкий пучок рентгеновского излучения. Рассеянное на кристалле излучение высветило четкую дифракционную картину. Проявив фотопластинку, Лауэ и помогавшие ему Пауль Книппинг и Вальтер Фридрих увидели узор из темных и светлых точек. Такие картины получили название лауэграмм. Макс Лауэ сделал математическое описание эксперимента. В своих уравнениях он устанавил связь между результатами наблюдений, полученных на фотопластинках, длиной волны рентгеновских лучей и расположением атомов в кристаллах. Эта работа положила начало новой области физической науки – рентгеновской кристаллографии. За открытие дифракции рентгеновских лучей Лауэ в 1914 году был удостоен Нобелевской премии. Методы рентгеновской кристаллографии могут использоваться как для изучения кристаллических структур, так и для определения длины волн неизвестных излучений на кристаллах с заранее определенными структурами.

 

     Свою «нобелевскую» работу Лауэ сделал в Цюрихе [25]. Он решил попытаться разобраться с рентгеновским излучением. До 1912 года было непонятно: это поток частиц или электромагнитное излучение очень высокой частоты. Темой самой первой работы Лауэ была дифракция. И ему пришла в голову замечательная идея использовать как дифракционную решетку простой кристалл. К Лауэ обратился его менее сведущий в теоретической физике коллега с просьбой помочь в математическом описании поведения световых волн в кристалле. Лауэ был теоретиком и не стал сам заниматься исследованиями, а предложил эксперимент, который позволил бы доказать волновую природу рентгеновского излучения. И начал ждать, кто захочет поработать руками, а чтобы не тратить время, начал отвечать на возможные возражения теоретиков. В апреле 1912 года успех пришел к Вальтеру Фридриху, ассистенту Зоммерфельда и его аспиранту Паулю Книппингу. Они сумели направить на сине-зеленый кристалл медного купороса узкий пучок рентгеновских лучей и зафиксировать рассеянное на кристалле излучение на фотопластинке. В результате получилась дифракционная картина из темных точек, которую они увидели, когда проявили пластинку. Так стало понятны сразу две вещи: рентгеновские лучи – это все-таки лучи, во-вторых, в кристалле действительно есть упорядоченная решетка атомов. Нобелевская премия Максу фон Лауэ последовала уже через два года: сейчас так почти не бывает.

 

     Дифракция рентгеновских лучей это явление их рассеяния на кристаллах или молекулах газов и жидкостей, при котором появляются вторичные отклоненные пучки, имеющие равные с первоначальным длины волн. [26]. Вторичные пучки возникают в результате взаимодействия рентгеновских лучей с электронами среды. Строение рассеивающего объекта определяет направления и интенсивности полученных пучков. Пучки, полученные в результате дифракции, являются частью всего рентгеновского излучения, которое рассеяло вещество. Впервые дифракцию рентгеновских лучей наблюдали в Лауэ, Фридрих и Книппинг. Они рассматривали дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах. В кристаллах выполняется условие, при котором период дифракционной решетки больше длины рентгеновского излучения.

 

     Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах была открыта Максом Теодором Феликсом фон Лауэ в 1912 году вместе с двумя его студентами В. Фридрихом и П. Книппингом [27].. Она является основой для рентгеноструктурного анализа, используемого для изучения структуры вещества на сверхмалых расстояниях. Рентгеновские лучи имеют длины волн меньшие, чем расстояния между атомами кристаллической решетки, поэтому кристалл может служить трехмерной дифракционной решеткой. Видимый же свет не замечает периодические пространственные неоднородности в его структуре, поскольку они по масштабам существенно меньше его длины волны. Система уравнений Лауэ достаточно нетривиальна в общем случае, однако есть простой подход, позволяющий получать из неё дифракционные максимумы. Этот подход основан на понятии о кристаллографических плоскостях – плоскостях, проведенных через три любые, не лежащие на одной прямой кристаллические узла. Такая плоскость из-за периодичности кристалла будет содержать еще строго периодичный бесконечный набор узлов, образующих ячейки в виде параллелограмма. Значение исследований Лауэ в физике двадцатого века сложно переоценить: во-первых, была доказана волновая природа рентгеновских лучей, во-вторых, заложены основы рентгеноструктурного анализа.

     Дифракция рентгеновских лучей – рассеяние рентгеновских лучей кристаллами (или молекулами жидкостей и газов), при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклонённые пучки той же длины волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами вещества; направление и интенсивность вторичных пучков зависят от строения рассеивающего объекта [28].. Дифрагированные пучки составляют часть всего рассеянного веществом рентгеновского излучения. Явление дифракционного рассеяния рентгеновских лучей, доказывающее их волновую природу, впервые было экспериментально обнаружено на кристаллах немецкими физиками М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом в 1912. Кристалл является естественной трёхмерной дифракционной решёткой для рентгеновских лучей, т.к. расстояние между рассеивающими центрами (атомами) в кристалле одного порядка с длиной волны рентгеновских лучей (~1Å=10-8 см).   Дифракция рентгеновских лучей наблюдается также при рассеянии их аморфными твёрдыми телами, жидкостями и газами.

     Дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах открыл 1912 М. Лауэ [29].. В 1916 году П. Дебай предложил использовать ее для исследования структуры поликристаллических материалов. Постановка структурных исследований неупорядоченных веществ выходит также из конкретных требований практики. В современных условиях эти исследования должны быть направлены на поиск внутреннего физического смысла явлений и процессов, которые определяют особенности структуры и свойств неупорядоченных систем. Решение обозначенных проблем в идеале должно обеспечить такую же прозрачную картину общей структуры неупорядоченных веществ, как и в кристаллах. А для нано объектов особенно эффективными методами структурных исследований выступает дифракция рентгеновских лучей. Данный методы сегодня достаточно широко распространен и не уступают о точности получаемых результатов каким либо другим методам. Это обусловлено тем, что метод дифракции рентгеновских лучей для органических веществ разрабатывается и совершенствуется уже длительный период времени. И при этом в нем учитывается целый ряд существенных процессов рассеяния электронов на атомах. Кристаллографические исследования показали, что в любом кристалле можно обнаружить определенные плоскости, где атомы или ионы, которые образуют его кристаллическую решетку, размещенные наиболее густо. Такие плоскости отражают монохроматическое рентгеновское излучение,

 

     Физика не имела достойных инструментов для научного исследования структуры тел, и молекулярно-кинетическая теория оставалась гипотезой: нельзя было увидеть частиц, из которых состоит тело, а также наблюдать их движение. Но минерологи, зримо видя разнообразие минералов, отличающихся по своему внешнему виду, не согласились с представлениями физиков и с молекулярно-кинетической теорией.

     Усилиями Пауля Эвальда, который поставил задачу, Макса фон Лауэ, который разработал теорию определения межплоскостных расстояний в кристаллах, а также Пауля Книппинга и Вальтера Фридриха, которые экспериментально подтвердиди теорию Лауэ, сделан величайший прорыв в инструментальное исследование стркутуры вещества. Был открыт способ определения межплоскостных расстояний в кристаллах.

 

 

3.2. Выводы.

 

1. В результате исследования интерференции рентгеновских лучей на кристаллах коллективом учёных под руковдством Лауэ сделано величайшее открытие в исследовани структуры вещества – численное определение межплоскостных расстояний в кристаллах.

 

2. Вместо эмпирического метода иссдедования строения физических объектов наука получила инструментальный метод измерения межплоскостных расстояний в кристаллах.

 

3. В результате открытия сделан небывалый по своему значению прорыв в глубины материи.

 

4. Нобелевская премия Макса Лауэ – неувядающее научное достижение, значение которого не померкнет никогда!

 

5. Нобелевская награда Лауэ неопровержимо показывает несостоятельность молекулярно-кинетической теории: все твёрдые тела имеют упорядоченную структуру.

 

 

А4. Достижения в исследовании структуры кристаллов. Радиусы атомов.

 

 

4.1. Открытие Брэгга. Радиусы атомов.

 

     Уильям Лоренс Брэгг –австралийский физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1915 год (совместно со своим отцом Уильямом Генри Брэггом) [30]. Самый молодой нобелевский лауреат по физике за всю историю премии. Наибольшую известность Брэггу принёс его закон о дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Закон Брэгга позволяет рассчитать положение атомов в кристалле по дифракционной картине, которую образуют рентгеновские лучи проходя сквозь кристаллическую решётку. Он сделал это открытие в 1912 году, в течение первого года в качестве студента-исследователя в Кембридже. Он обсуждал свои идеи с отцом, который разработал в Лидсе рентгеновский спектрометр, позволивший проанализировать большое количество кристаллов. Осенью 1915 года Уильям Лоренс Брэгг узнал, что он стал самым молодым человеком, когда-либо получавшим Нобелевскую премию – в возрасте 25 лет, «за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

 

     Обсудив дифракцию рентгеновских лучей со своим отцом, Брэгг пришел к убеждению, что волновая интерпретация Лауэ верна, но описание деталей дифракции Лауэ неоправданно усложнил [31]. Атомы в кристаллах располагаются в плоскостях, и Брэгг предположил, что дифракционная картина конкретного вида вызывается специальным расположением атомов в конкретной разновидности кристаллов. Если это так, то рентгеновскую дифракцию можно было использовать для определения структуры кристаллов. В 1913 г. он опубликовал уравнение, позже названное законом Брэгга, описывающее углы, под которыми следует направить пучок рентгеновских лучей, чтобы определить строение кристалла по дифракционной картине рентгеновских лучей, отраженных от кристаллических плоскостей. Затем Брэгг воспользовался своим уравнением при анализе различных кристаллов. Рентгеновский спектрометр, изобретенный его отцом в том же году, оказал Брэггу неоценимую помощь, поскольку высокая чувствительность прибора позволяла анализировать кристаллы более сложные, чем те, которые поддавались анализу известными ранее методами. Первым веществом, которое Брэгги исследовали с помощью рентгеновской дифракции, был хлористый натрий. К 1913 г. атомная теория вещества уже прочно утвердилась, и было принято считать, что химические соединения образованы молекулами, состоящими из атомов различных элементов. Исследования Брэггов показали, что кристаллы хлористого натрия состоят не из молекул, а из определенным образом расположенных ионов натрия и ионов хлора. В кристалле нет молекул хлористого натрия. Тем самым было установлено различие между молекулярными соединениями (кристаллы которых состоят из молекул) и ионными соединениями (кристаллы которых состоят из определенным образом расположенных ионов), что имело огромное значение и позволило учёным гораздо глубже понять поведение растворов. Работая совместно, Брэгги свели к 1914 г. рентгеновский анализ простых материалов к стандартной процедуре. Работа, проделанная Брэггом и его отцом в 1912...1914 гг., заложила основы современной рентгеновской кристаллографии. Анализ рентгеновских дифракционных картин служит мощным инструментом для минералогов, металлургов, керамистов и других исследователей, имеющих дело с атомной структурой материалов. В 1915 г. Брэгг вместе со своим отцом был награжден Нобелевской премией «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

 

     В монографии “Кристаллическая структура минералов. 1967” [32] У. Л. Брэгг писал, что кристалл может быть полностью охарактеризован своей структурой. Атомы в кристалле располагаются по определенному мотиву, так что одна и та же конфигурация в нем через равные интервалы повторяется во всех трех измерениях. Большинство кристаллов характеризуется пространственными решетками, обладающими определенной симметрией. Различные типы сил связей, соединяющих атомы, обычно подразделяются на ионные, ковалентные, металлические и вандерваальсовские; однако следует помнить, что между этими четырьмя основными типами имеются переходные типы связей. Было выяснено, главным образом благодаря данным структурного анализа, что в неорганических соединениях, находящихся в твердом состоянии, составляющие их атомы или группы атомов можно считать связанными ионными силами. Это предполагает такое перераспределение электронов между атомами, при котором атомы не являются нейтральными, а обладают определенными положительными и отрицательными зарядами. При этом силы, связывающие отдельные ионы, представляют собой, по существу, силы электрического притяжения между противоположно заряженными частицами. Для большинства структур минералов характерен ионный тип связи, однако в ряде случаев для объяснения таких структур необходимо привлечь понятия ковалентной, металлической и вандерваальсовской связей. Атом не имеет жестких границ. Другими словами, вокруг ядра невозможно провести некую сферу, которая охватила бы все электроны, связанные с ядром. Однако при сближении двух ионов силы отталкивания между ними, препятствующие их дальнейшему сближению, резко возрастают вблизи определенного значения межатомного расстояния. С этой точки зрения ионы могут рассматриваться как соприкасающиеся сферы с характерным для каждого иона радиусом. Можно составить такой список ионных радиусов, в котором межатомные расстояния в различных соединениях почти во всех случаях приблизительно равны сумме радиусов каждой пары ионов. Этот приблизительный аддитивный закон в значительной степени упрощает наши представления об ионных соединениях. Величины ионных радиусов были впервые рассчитаны Брэггом (Bragg, 1920), однако они включали ошибочный ряд данных. Васастьерна (Wasastjerna, 1923) исправил величины этих радиусов.

 

 

4.2. Атомные и ионные радиусы. Неопределённость их значений.

 

     Лауэ мгновенно получил Нобелевскую премию, но пропустил возможность попытаться найти способ определения положения атомов [33]. В принципе, дифракционная картинка может помочь извлечь информацию о расположении атомов в кристаллической структуре. Лауэ, вместо того чтобы заниматься этим, отвлекся на изучение самих рентгеновских лучей. Это особо далеко его не привело, но позже он горько жалел, что позволил себе отвлечься, потому что пальму первенства у него из-под носа утащили двое англичан – Уильям Генри Брэгг и его юный сын, Уильям Лоренс Брэгг. Именно эти люди в 1913 году опубликовали расшифровки первых кристаллических структур. Поначалу они пробовали изучать структуру медного купороса, но она оказалась им не по зубам, так как была слишком сложной. Затем они переключились на более простые объекты, такие как алмаз, цинковая обманка (сульфид цинка) и столовая поваренная соль. Эти структуры были опубликованы, произвели по-настоящему большую сенсацию. Вслед за ними были опубликованы структуры десятков различных кристаллических объектов. Были сформулированы правила, которым подчиняются кристаллические структуры. Было доказано, что все кристаллические структуры полностью описываются 230 пространственными группами Федорова. Это был триумф теории Федорова.

   Первая система радиусов заложена работами А. Ланде [34]. В 1920 г. он рассчитал радиусы Mg 2+ , S 2 - , Se 2 - на основе измерения следующих межъядерных расстояний (в нм) в некоторых селенидах и сульфидах: Mg-Se (0.273) , Mg-S (0.260) , Mn-S (0.259) . Приняв идею о плотнейшей упаковке атомов в кристаллах ("шары" анионов и катионов касаются друг друга и сжаты плотнейшим образом), он на основе простейших расчетов дал такие значения радиусов (в нм): для S 2 - 0.183, для Se 2 - 0.193, для Mg 2+ 0.076. В 1923 г. Вазашерна, исходя из показателей преломления некоторых фторидов и оксидов и используя теоретическую зависимость радиусов молекул и ионов, с одной стороны, и показателями преломления веществ, с другой, вычислил для радиуса аниона фтора значение 0.133 нм, а для кислорода - 0.132 нм. Эти значения были положены в основу дальнейших расчетов В.М. Гольдшмидтом. Приняв идею плотнейшей упаковки ионов и катионов и последовательно расширяя круг веществ с межузельными расстояниями, В.М. Гольдшмидт создал на основе принципа аддитивности (простое суммирование радиусов) систему радиусов для ионов всех химических элементов. В ней ионы наиболее распространенных химических элементов имеют следующие радиусы (в нм) : Si - 0.039, Al - 0.057, Fe (II) - 0.082, Fe (III) - 0.067, Ca - 0.106, Na - 0.098, Mg - 0.078, Ti (IV) - 0.064, они меньше ионов кислорода и только калий и кислород имеют одинаковые размеры. Вторая, совсем иная, система радиусов заложена рентгенометрическими работами В. Брэгга. В 1920 г. на основе экспериментального определения межъядерного расстояния S-S в пирите (0.205 нм) он принял для радиуса S 2 - значение 0.103 нм. По измеренным расстояниям Zn-S (0.235 нм в сфалерите и Zn-O (0.197 нм) в цинките В. Брэгг получил для радиусов Zn 2+ 0.132 нм и для О 2 - 0.065 нм..Радиусы катиона оказались больше радиуса кислорода. В отличие от системы В.М. Гольдшмидта радиус кислорода здесь был определен на основе простейших измерений, а не косвенных расчетов Вазашерны. Измерения и расчеты, начатые В. Брэггом продолжены не были, а всеобщую известность получила хорошо разработанная и полная система радиусов В.М. Гольдшмидта. Лишь значительно позднее были разработаны полные системы радиусов ионов, в которых выдерживается брэгговское соотношение R k >R o. Они предложены в разных модификациях А. Слейтером, А.С. Щукаревым, В.И. Лебедевым. По В.И. Лебедеву, например, радиус О 2 -составляет 0.045 нм, радиус Mg 2+ - 0.160 нм. При этом предполагается, что в большинстве кристаллических веществ плотнейшую упаковку образуют катионы, а в пустотах между ними располагаются ионы кислорода и другие анионы. Сейчас идет активная переоценка разных представлений о размерах ионов в кристаллических постройках минералов. Например, А.С. Поваренных считал, что в разных по своей природе химических соединениях атомы одного и того же элемента должны иметь различные радиусы. Размер иона Fe 3+ в сульфидах составляет 0.111 нм, во фторидах 0.086 нм, в оксидах - 0.094. Эти представления подтверждаются многими работами по электронно- и рентгенографии минералов. Так для Na, к примеру, установлены колебания радиуса от 0.109 до 0.131 нм. Представления о неодинаковых размеров ионов в разных веществах, очевидно, наиболее прогрессивны, но они еще не нашли должного развития, поэтому далее будут использоваться значения радиусов по В.М. Гольдшмидту.

     Располагая примерно сотней значений межатомных расстояний, В. Л. Брэгг смог уже в 1920 г. определить размеры индивидуальных атомов в кристалле [35]. Способ определения радиусов атомов в простых веществах, например, в металлах, очень прост: надо разделить пополам кратчайшее межатомное расстояние. Брэгг распространил этот метод и на другие случаи, оценив радиус атома серы как половину межатомного расстояния в пирите. Затем можно было вычислить «по цепочке» и радиусы других атомов. Всего Брэгг определил таким путем размеры около 40 атомов, что дало основание для ряда сопоставлений. Так, оказалось, что в системе Брэгга размеры электроотрицательных атомов значительно меньше по сравнению с размерами электроположительных элементов. Это вступало в противоречие с представлениями ионной модели Косселя, согласно которой электроны отрываются от катиона и переносятся к аниону, делая его крупнее. Поэтому от использования системы радиусов Брэгга как универсальной надолго отказались. К идее атомных радиусов вернулись в 60-ые годы 20 века. Дж. Слейтер построил свою систему атомных радиусов. Они оказались весьма близкими к радиусам Брэгга (среднее отклонение составляет лишь 0,03 Å). Для построения Слейтер использовал результаты теоретических (квантовохимических) вычислений радиусов, которые были закончены к 1964 г., а также межатомные расстояния, измеренные для 1200 кристаллов самых различных типов. По физическому смыслу из вывода атомные радиусы следует использовать прежде всего в тех случаях, когда атомы соединены друг с другом ковалентной или металлической связью.

     Близость физико-химических и химических свойств атомов обусловлена сходством их электронных конфигураций [36]. В первую очередь важно сходство в распределении электронов по внешним атомным орбиталям. Большинство физико-химических и химических свойств элементов сильно зависит именно от строения внешних электронных подоболочек. Отсюда следует, что место элемента в таблице Менделеева определяется его свойствами, а каждому месту соответствует элемент, обладающий определенной совокупностью свойств. Из физических свойств следует отметить периодичность изменения атомного объема и радиуса атомов и ионов. В связи с изменением радиуса атомов изменяются их окислительно-восстановительный свойства. Так, по периоду в связи с уменьшением радиуса атомов неметалличность увеличивается и увеличиваются окислительные свойства, а по группе – радиус атомов увеличивается усиливаются металлические свойства и соответственно увеличиваются восстановительные свойства. Для ионов, так как и для атомов, существует несколько систем радиусов. Наиболее «индивидуальным» радиусом иона (как и для атома) считают его орбитальный радиус. Потеря атомом электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточного электрона – к увеличению. Поэтому радиус катиона – меньше радиуса атома, а радиус аниона – больше. Радиус иона тем сильнее отличается от радиуса атома, чем больше заряд иона.

 

     Применение рентгеновых лучей к исследованию кристаллов дает возможность не только устанавливать внутреннее строение последних, но и определять размеры частиц, образующих кристалл, — атомов или ионов [37]. Чтобы понять, как производятся такие вычисления, представим себе, что частицы, из которых построен кристалл, имеют сферическую форму и соприкасаются друг с другом. В таком случае мы можем считать, что расстояние между центрами двух соседних частиц равно сумме их радиусов.Если частицами являются атомы простого вещества и расстояние между ними измерено, то тем самым определяется и радиус атома, очевидно, равный половине найденного расстояния. Несколько сложнее производится определение радиусов различных ионов. Здесь уже нельзя просто делить расстояние между ионами пополам, так как размеры ионов неодинаковы. Но если радиус одного из ионов известен, то радиус другого легко находится простым вычитанием. Отсюда следует, что для вычисления радиусов различных ионов по константам кристаллических решеток нужно знать радиус хотя бы какого-нибудь одного иона. Тогда нахождение радиусов всех остальных ионов уже не представит затруднений. Как показывают эти данные, у металлов радиусы атомов больше, чем радиусы ионов, у металлоидов, наоборот, радиусы ионов больше, чем радиусы атомов. Относительные размеры ионов, образующих кристалл, оказывают огромное влияние на структуру пространственной решетки. Ряд соображений заставляет принять, что ионы должны располагаться в кристалле так, чтобы каждый меньший ион по возможности целиком заполнял пространство между окружающими его большими ионами и наоборот; другими словами, отрицательные ионы, которые почти всегда больше положительных, должны возможно теснее окружать положительные ионы, иначе система будет неустойчивой. Координационное число зависит от отношения радиуса положительного иона к радиусу отрицательного иона: чем ближе это отношение к единице, тем больше координационное число. Рассматривая ионы как шары, расположенные в кристалле по способу наиболее плотной упаковки, можно рассчитать, при каком соотношении между радиусом положительного и отрицательного ионов должно получиться то или иное координационное число.

 

 

4.3. Минерологи о системах определения радиусов атомов в кристаллах.

 

     В работе [38] рассмотрены разнообразные систем размерных характеристик атомов в кристалле: атомных, ионных, Ван-дер-Ваальсовских, металлических, тетраэдрических, кристаллических, несвязывающих радиусов и границ их применимости. Актуальность этой темы связана с тем, что даже в 21-ом веке не прекращаются многочисленные попытки усовершенствовать и уточнить системы радиусов атомов и ионов, расширить сферы их применения и сделать их более универсальными или, наоборот, более специальными. Однако, имеется много аргументов в пользу тех представлений, которые рассматривают размер атома в данном валентном состоянии как функцию его окружения в кристалле, т.е. исходят из той предпосылки, что радиус не является некоторой определенной константой атома. Причины кроются в том, что при переходе атома из свободного состояния в связанное все его свойства (в том числе и размеры) закономерным образом изменяются. Причины этих изменений многочисленны и заключаются в образовании химической связи и взаимодействии друг с другом всех атомов в кристаллической структуре. После открытия Лауэ (1912) в течение ряда последующих лет были подвергнуты рентгеноструктурному анализу десятки кристаллов, что позволило В.Л. Брэггу уже в 1920 году смог определить размеры атомов в кристалле. Но в его системе размеры электроотрицательных атомов оказались значительно меньше по сравнению с размерами электроположительных элементов, что вступило в противоречие с представлениями ионной модели. Поэтому от использования системы атомных радиусов Брэгга как универсальной пришлось на несколько десятилетий отказаться. Идея атомных радиусов была реанимирована спустя много лет, когда появилась система атомных радиусов Слейтера. По физическому смыслу их следует использовать, прежде всего, в тех случаях, когда атомы соединены друг с другом ковалентной или металлической связью. Точность этой системы не очень высока, но можно добиться более высокой точности, если применить принцип аддитивности к более узкой группе соединений. В 1920-х годах появились способы определения радиусов ионов в кристалле, использующие некоторые приёмы построения системы радиусов только для нее. Так были получены системы ковалентных, тетраэдрических и металлических радиусов. Распределение электронной плотности в существенно ионных кристаллах иное, чем в ковалентных или металлических; оно характеризуется смещением плотности перекрывания к более электроотрицательному атому, а также положения теоретического или полуэмпирического характера (Ланде, Вазашерна, Гольдшмидт, Полинг). Замечательным оказалось близкое совпадение всех основных систем ионных радиусов, основанных на независимых критериях. Это произвело огромное впечатление на современников и последующие поколения ученых; в мировой общественности возникло стойкое представление, что понятие «радиус иона» отражает некоторую объективную реальность. При этом постепенно была забыта точка зрения самих создателей первых систем ионных радиусов, которые рассматривали их лишь как некоторые эффективные величины. Так, Полинг утверждал, что «…функция распределения электронов в ионе не имеет определенной границы... Поэтому нельзя приписать иону какой-то характерный для него размер». В настоящее время наиболее обоснованной и подробной является система Шэннона и Прюитта, которую эти авторы вывели сначала в 1969 г. и затем неоднократно уточняли на основе многочисленных экспериментальных данных для ионных соединений. Они оценили среднюю ошибку своей системы ионных радиусов для предсказания межатомных расстояний в подобных веществах величиной около 0,02 Å. Эта система получила настолько широкую известность и область применения, что считается одним из лидеров по цитируемости в современной кристаллохимической литературе. Может сложиться представление, что катион (магний) в структуре существенно больше аниона (кислород), хотя накопленный кристаллохимией за 20-ый и начало 21-века огромный теоретический и экспериментальный материал позволяет с уверенностью утверждать обратное. Существует ли способ экспериментально определить размеры атомов? Оказывается, да. Благодаря тому, что рентгеновские лучи рассеиваются при прохождении через кристалл электронами, прецизионный рентгеноструктурный анализ способен дать сведения и о распределении электронной плотности, в том числе о распределении валентных электронов в кристалле. Расстояние от ядра атома до минимума электронной плотности часто называют «кристаллическим радиусом». Исследования распределения электронной плотности обнаружили частые отклонения ионов в кристалле от сферичности. Эксперименты по прецизионномурентгеноструктурному определению электронной плотности также продемонстрировали эффект расширения катионов и сжатия анионов в кристалле по сравнению с размерами, которые им приписывает классическая ионная теория. В последующие годы многочисленные эксперименты дали основания считать, что даже в одном и том же кристалле можно обнаружить разные размеры атома в различных связях и координационных полиэдрах. Безансон в 1982 году пришел к выводу, что радиусы кислорода и серы могут изменяться на величину до 0,3 Å в одной и той же структуре. Возникает вопрос: следует ли сохранять представление о радиусах атомов, если сейчас не вызывает сомнений, что размер атома в гетероатомных соединениях может находиться где-то между двумя предельными значениями: его радиусом для гипотетического чисто ионного состояния (ионным радиусом) и ковалентным (или металлическим) радиусом. Ответ на этот вопрос очевидно положительный по той причине, что реальное межатомное расстояние мало зависит (в первом приближении – не зависит) от выбора той или иной системы радиусов. Полный же переход к концепции переменных радиусов будет связан с утратой наиболее привлекательной стороны идеи использования систем радиусов для возможности предсказать многие тысячи и даже миллионы расстояний между атомами в кристаллах с помощью относительно небольшого набора чисел (порядка числа химических элементов). Для кристаллохимии это обстоятельство радикальным образом облегчает анализ экспериментальных данных и обеспечивает возможность свертки громадного массива информации. Поэтому до сих пор остается справедливым высказывание А. Е. Ферсмана: «...как бы ни относиться к физическому смыслу радиусов ионов... они имеют огромное практическое значение как величины, с которыми легко и просто можно оперировать как в кристаллохимии, так и в геохимии». Необходимо, конечно, отдавать себе отчет в границах применимости таких приемов и не вносить в них не присущего им физического смысла или требовать от них точности, которую они не в состоянии обеспечить по их природе.

     Истинные размеры атомов и ионов измерить невозможно. [39] Для минералогии важны радиусы ионов в их реальных кристаллических постройках, но экспериментально (рентгеновскими и другими методами) определяются только межузельные расстояния пространственных решеток. Расстояние между центрами ближайших атомов кремния и кислорода в окиси кремния - кварце равно 0.161 нм. Что же касается радиусов ионов и атомов в кристаллах, то этот вопрос в разное время и разными исследователями решался по-разному, в результате чего сформировались различные системы, которые можно разбить на две группы: в первой радиусы ионов главнейших в земной коре химических элементов (Si, Fe, Ca, Mg, Na и др.) меньше радиуса иона кислорода; во второй эти соотношения обратны.

 

4.4. Выводы.

 

1. Брэгг в 1912 году открыл закон о дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, который позволяет рассчитать положение атомов в кристалле по дифракционной картине.

 

2. Уильям Лоренс Брэгг в 1915 году получил Нобелевскую премию «за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

 

3. Открытие, сделанное Брэггом, заложила основы современной рентгеновской кристаллографии.

 

4. Атом не имеет жестких границ, ионы могут рассматриваться как соприкасающиеся сферы с характерным для каждого иона радиусом.

 

5. Величины ионных радиусов были впервые рассчитаны Брэггом в 1920 году.

 

6. Для определения радиусов атомов принята идея о плотнейшей упаковки атомов в кристаллах: шары анионов и катионов касаются друг друга и сжаты плотнейшим образом.

 

7. Сейчас идёт активная переоценка разных представлений о размерах ионов в кристаллических постройках.

 

8. Способ определения радиусов атомов в простых веществах очень прост: надо разделить пополам кратчайшее межатомное расстояние.

 

9. Потеря атомом электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров, а присоединение избыточного электрона – к увеличени. Поэтому радиус катиона – меньше радиуса атома, а радиус аниона – больше.

 

10. В построении структуры кристалла принято, что ионы должны располагаться так, чтобы каждый меньший ион по возможности целиком заполнял пространство между окружающими его большими ионами.

 

11. Даже в 21-ом веке не прекращаются многочисленные попытки усовершенствовать и уточнить системы радиусов атомов и ионов.

 

12. Размер атома рассматривают в данном валентном состоянии как функцию его окружения в кристалле, т.е. исходят из той предпосылки, что радиус не является

некоторой определенной константой атома.

 

13. Замечательным оказалось близкое совпадение всех основных систем ионных радиусов, основанных на независимых критериях.

 

14. В мировой общественности возникло стойкое представление, что понятие «радиус иона» отражает некоторую объективную реальность.

 

15. Даже в одном и том же кристалле можно обнаружить разные размеры атома в различных связях и координационных полиэдрах.

 

16. Истинные размеры атомов и ионов измерить невозможно. Для минералогии важны радиусы ионов в их реальных кристаллических постройках.

 

 

А5. Современная теоретическая физика о строении твёрдых тел – физика твёрдого тела.

 

5.1. Превратное представление о строении твёрдого тела.

 

     Твёрдое тело – одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия [40]. Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Раздел физики, изучающий состав и внутреннюю структуру твёрдых тел, называется физикой твёрдого тела.

Твёрдые тела могут быть в кристаллическом и аморфном состоянии. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов – правильные многогранники. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью.

Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы.. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием. Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии и кристаллографии под кристаллической структурой подразумевается определённый порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, таких как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства. Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее, это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

Свойства твёрдого тела и движение частиц в нём исследуются физикой твёрдого тела (подраздел физики конденсированных сред). Физика твёрдого тела является самостоятельной научной дисциплиной со специфическими методами исследования и математическим аппаратом. Её развитие диктуется практическими потребностями. Электрические и некоторые другие свойства твёрдых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов. Выделяют пять классов твёрдых тел в зависимости от типа связи между атомами: Ионная связь (например, NaCl). Основными силами являются силы электростатического притяжения. Ковалентная связь (например, С (алмаз), Ge, Si). Металлическая связь (например, Cu, Al).Молекулярная связь (например, ArСН4). Водородная связь (например, Н2О (лёд), HF). Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления – температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно. Его характеризуют температурой стеклования.  Изменение температуры вызывает деформацию твёрдого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения.

     Молекулы, образующие узлы решетки молекулярного кристалла, взаимодействуют благодаря силам Ван-дер-Ваальса [41]. Элементы решетки ковалентного кристалла связаны друг с другом обменными силами. В ионной решетке силы связи определяются электростатическим полем узлов решетки. При металлической связи валентные электроны принадлежат одновременно всем атомам. Когда атомы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, они могут рассматриваться как независимые один от другого. Если их сблизить, то может образовываться твердое тело. Будем классифицировать твердые тела в соответствии с поведением их электронов, когда отдельные атомы займут определенное место в твердом теле.

В простейшем случае при образовании молекулярных кристаллов прежде всего образуется молекула из двух или более атомов.

Какими силами обусловлено взаимодействие подобных молекул друг с другом? В общем виде их называют силами Ван-дер-Ваальса. В простейшем случае поле дипольной молекулы влияет на другие диполи. При этом потенциальная энергия обратно пропорциональна квадрату расстояния. Поле дипольных молекул, естественно, влияет на прочие, неполяризованные молекулы: изменяется распределение заряда, и за счет индукции у этих молекул возникает дипольный момент; наконец, осуществляется взаимодействие инициирующего и индуцированного диполей, которое может быть описано с помощью потенциала, обратно пропорционального расстоянию между ними в шестой степени. В первом случае мы говорим об эффекте ориентации, во втором – об индукционном эффекте. Квантовомеханический подсчет во втором случае – в приближении теории возмущений для поляризующей системы выявляет существование силы, описываемой с помощью потенциала, обратно пропорционального расстоянию в шестой степени, т.е. существование так называемого дисперсионного эффекта.

В итоге сила, действующая между молекулами, описывается потенциалом, задаваемым полуэмпирической формулой двум атомам, тогда как взаимодействие определяется обменными силами. Таким твердым телом является, например, алмаз или германий.

Если электрон одного атома присоединяется к другому атому, то между оставшимся положительным ионом и возникшим отрицательным ионом твердого тела возникают электростатические силы. Такую ионную решетку имеет, например, каменная соль.

Наконец, атомы твердого тела могут совсем отдать свои валентные электроны, которые могут принадлежать как бы любому атому и поэтому названы свободными электронами. Так возникает металлическая связь. Энергия образованного таким образом твердого тела с определенной кристаллической структурой и заданным шагом (постоянной) решетки меньше, чем энергия составляющих его свободных атомов, так что возникновение связей этого типа вполне возможно.

В кристаллическом твердом теле отдельные атомы, ионы или молекулы, т.е. элементы построения кристалла, мы представляем себе расположенными в пространстве совершенно определенным образом. Разумеется, что атомы, находящиеся в определенных узлах кристаллической решетки, вследствие их теплового движения совершают непрерывные колебания, причем амплитуда этих колебаний растет с увеличением температуры. Существует некоторая вероятность того, что атом может покинуть данный узел решетки при энергии гораздо меньшей, чем энергия диссоциации: это осуществляется за счет туннельного эффекта. При достаточно высокой температуре все чаще происходит обмен местами между соседними атомами, пока, наконец, в определенный момент часть кристалла вблизи данного атома не перейдетв жидкое состояние в виде достаточно упорядоченного квазикристалла, который затем самопроизвольно деформируется. О жидком состоянии можно говорить и тогда, когда эта деформация происходит достаточно медленно (асфальт, стекло), хотя эти материалыв быту называют твердыми телами.

     Стpоение твеpдых тел пpинципиально отлично от стpоения газов [42]. В них межмолекуляpные pасстояния малы и потенциальная энеpгия молекул сpавнима с кинетической. Твеpдые тела делятся на два вида: на кpисталлические и амоpфные. В состоянии теpмодинамического pавновесия пpебывают лишь кpисталлические тела. Амоpфные же тела по сути пpедставляют метастабильные состояния, котоpые по своему стpоению пpиближаются к неpавновесным, медленно кpисталлизующимся жидкостям. В амоpфном теле идет очень медленный пpоцесс кpисталлизации, пpоцесс постепенного пеpехода вещества в кpисталлическую фазу. Отличие кpисталла от амоpфного твеpдого тела заключается пpежде всего в анизотpопии его свойств. Свойства кpисталлического тела зависят от напpавления в пpостpанстве. Различного pода пpоцессы, такие как теплопpоводность, электpопpоводность, свет, звук, распростpаняются в pазличных напpавлениях твеpдого тела по-pазному. Амоpфные же тела (стекло, смолы, пластмассы) изотpопны, как и жидкости. Отличие амоpфных тел от жидкостей состоит только в том, что последние текучи, в них невозможны статические дефоpмации сдвига. Кpисталлические тела обладают пpавильным молекуляpным стpоением. Именно пpавильному стpоению кpисталла обязана анизотpопия его свойств. Пpавильное pасположение атомов кpисталла обpазует так называемую кpисталлическую pешетку. В pазличных напpавлениях pасположение атомов в pешетке pазлично, что и ведет к анизотpопии свойств. С дpугой стоpоны, пpавильное pасположение атомов в кpисталлах ведет к той или иной симметpии кpисталлов. Изучением симметpии кpисталлов занимается специальная наука – кpисталлогpафия. Оказывается, существует конечное число pазличных способов pасположения атомов в кpисталлах. Известный pусский кpисталлогpаф Е.С.Федоpов показал, что это число pавно 230. Атомы (или ионы, или целые молекулы) в кpисталлической pешетке, pазумеется, не неподвижны, они совеpшают беспоpядочное колебательное движение около сpедних положений, котоpые и pассматpиваются как узлы кpисталлической pешетки. Чем больше темпеpатуpа, тем больше энеpгия колебаний, а следовательно, и сpедняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний находится pазмеp кpисталла. Рост амплитуды колебаний ведет к pосту pазмеpов тела. Так объясняется тепловое pасшиpение твеpдых тел.

5.2. Выводы.

1. Твёрдое тело отличается стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

2. Твёрдые тела могут быть в кристаллическом и аморфном состоянии. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка.

 

3. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний,

 

4. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние,

 

5. Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.

 

6. Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно, их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее, это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

 

7. Электрические и некоторые другие свойства твёрдых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов.

 

8. Изменение температуры вызывает деформацию твёрдого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения.

 

9. В кристаллическом твердом теле отдельные атомы, ионы или молекулы, т.е. элементы построения кристалла, мы представляем себе расположенными в пространстве совершенно определенным образом.

 

10. Разумеется, что атомы, находящиеся в определенных узлах кристаллической решетки, вследствие их теплового движения совершают непрерывные колебания, причем амплитуда этих колебаний растет с увеличением температуры.

 

11. Существует некоторая вероятность того, что атом может покинуть данный узел решетки при энергии гораздо меньшей, чем энергия диссоциации: это осуществляется за счет туннельного эффекта.

 

12. При достаточно высокой температуре все чаще происходит обмен местами между соседними атомами, пока, наконец, в определенный момент часть кристалла вблизи данного атома не перейдет в жидкое состояние в виде достаточно упорядоченного квазикристалла.

 

13. Кpисталлические тела обладают пpавильным молекуляpным стpоением. Именно пpавильному стpоению кpисталла обязана анизотpопия его свойств. Пpавильное pасположение атомов кpисталла обpазует так называемую кpисталлическую pешетку.

 

14. Атомы (или ионы, или целые молекулы) в кpисталлической pешетке, pазумеется, не неподвижны, они совеpшают беспоpядочное колебательное движение около сpедних положений, котоpые и pассматpиваются как узлы кpисталлической pешетки.

 

 

А6. Современные представления о структуре жидкости.

 

6.1. Теория строения жидкости.

   Строение жидкостей изучено наименее полно [43]. До настоящего времени не существует единой общепринятой теории строения жидких тел. Так как жидкое состояние вещества занимает промежуточное место между твердым и газообразным, то и первые попытки теоретического описания строения жидкостей строились на их подобии либо с газами, либо с твердыми телами. В соответствии с этим позднее все модельные теории строения жидкостей условно поделили на две группы - квазигазовые и квазикристаллические.

     Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным [44]. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму. Жидкости в обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся. Поверхность жидкости, не соприкасающаяся со стенками сосуда, называется свободной поверхностью. Она образуется в результате действия силы тяжести на молекулы жидкости. Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молеку­лами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Объяснение поведения жидкостей на основе характера молекулярного движения жидкости было дано советским ученым Я. И. Френкелем. Оно заклю­чается в следующем. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. вре­мя колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10-11 с. Время одного колебания значительно меньше — 10-12 – 10-13с. Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объ­ясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.

     Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний [45]. В частности, для жидкостей, как и для кристаллических тел, характерно наличие определенного объема, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором она находится. Далее, для кристаллического состояния характерно упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул), в газах в этом смысле царит полный хаос. Согласно рентгенографическим исследованиям, в отношении характера расположения частиц жидкости также занимают промежуточное положение. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближ­ний порядок. В кристаллах имеет место дальний порядок: упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема. Промежуточным положением жидкостей обусловлено то обстоятельство, что жидкое состояние оказывается особенно сложным по своим свойствам. Поэтому его теория гораздо менее развита, чем теория кристаллического и газообразного состояний. До сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей. ю.

     Молекулярно-кинетическая теория направлена на исследование строения и свойств вещества на основе представлений о существовании атомов и молекул в качестве наименьших частиц химических веществ. [46]. Молекулы и атомы являются электрически нейтральными частицами. При определенных условиях они способны к приобретению дополнительного электрического заряда и превращаются в положительные (отрицательные) ионы. Атомы и молекулы пребывают в непрерывном хаотическом движении. Частицы между собой осуществляют взаимодействие за счет сил, обладающих электрической природой. При этом гравитационное взаимодействие между частицами оказывается пренебрежимо малым.

Проблема оценки структуры воды пока представляет для ученых определенные сложности. Наиболее популярной считается гипотеза, предложенная в 1883 году Уайтингом. В ней утверждается, что: в качестве основной строительной единицы водяного пара выступает молекула гидроль (моногидроль); основной строительной единицей воды будет являться двойная молекула дигидроль; лед считается состоящим из тройных молекул тригидроль. На данных представлениях основывается гидрольная теория структуры воды, согласно которой водяной пар считается состоящим из комплекса простейших молекул моногидроля, их ассоциаций и также из незначительного числа молекул дигидроля. В жидком виде вода считается смесью молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение количества таких молекул в воде будет различным и зависимым от температуры. Поскольку молекула воды сама по себе несимметрична, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у нее не будут совпадать.

 

     Теория кристаллоподобного строения жидкостей  предполагает, что молекулы ( а также атомы или ионы) колеблются около своих положений равновесия [47]. Однако эти положения не фиксированы. Может оказаться, что в результате флуктуации вблизи какой-либо молекулы образуется свободное место ( вакансия), куда эта молекула перескакивает. В результате возникает новое положение равновесия, около которого колеблется молекула. Поскольку вязкость жидкостей гораздо меньше вязкости твердых тел, а скорость диффузии и миграции ионов в жидкости гораздо больше, чем в твердом теле, то частота этих перескоков должна быть относительно большой.

До сих пор мало разработана теория строения жидкостей , особенно теория строения жидкой воды

 

     Структура жидкостей пока остаётся загадкой теоретической физики. Структура жидкостей является в настоящее время предметом пристального изучения физико-химиков [48].

 

 

6.2. Выводы.

 

1. До настоящего времени не существует единой общепринятой теории строения жидких тел.

 

2. До сих пор мало разработана теория строения жидкостей, особенно теория строения жидкой воды.

 

3. Структура жидкостей пока остаётся загадкой теоретической физики. Структура жидкостей является в настоящее время предметом пристального изучения физико-химиков.

 

4. Очевидно бессилие открытий Лауэ и Брэгга для создания физики жидкого состояния тел.

 

 

А7. Современная теория строения газа.

 

7.1. Строение газа.

     Кинетическая теория газов, раздел теоретической физики, исследующий статистическими методами свойства газов на основе представлений о молекулярном строении газа и определенном законе взаимодействия между его молекулами [49]. Основы кинетической теории газов были заложены во 2-й половине 19 в. в работах Л. Больцмана. Методы решения кинетического уравнения Больцмана были разработаны английскими учёными С. Чепменом и Д. Энскогом. Уравнение Больцмана в частном случае отсутствия внешних сил описывает эволюцию системы к состоянию равновесия. В ионизированных газах (плазме) частицы взаимодействуют друг с другом посредством кулоновских сил, медленно убывающих с расстоянием. Для таких сил нельзя говорить о парных столкновениях, так как друг с другом взаимодействует сразу большое число частиц. Но и в этом случае можно получить кинетическое уравнение (оно называется уравнением Ландау), если учесть, что в подавляющем числе случаев обмен импульсами (количеством движения) при столкновении частиц мал. Если столкновениями вообще можно пренебречь, то существенную роль будут играть кулоновские силы, действующие на данную частицу со стороны всех остальных частиц системы. В этом случае для плазмы справедливо кинетическое уравнение Власова. Наиболее последовательные и эффективные методы вывода кинетических уравнений на основе динамики систем из большого числа частиц были разработаны Н. Н. Боголюбовым.

     Молекулярно-кинетическая теория газов – раздел физики, изучающий их свойства статистическими методами на основе представления об их молекулярном строении и определенном законе взаимодействия между молекулами [50]. Газ – агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы слабо взаимодействуют и хаотически движутся в результате столкновений друг с другом, занимая весь предоставленный им объем. Кинетическая теория газов строится на некоторых общих представлениях и опытных фактах. Вначале рассмотрим модель, называемую идеальным газом. Идеальный газ – это газ, молекулы которого можно рассматривать как материальные точки и для которого можно пренебречь потенциальной энергией взаимодействия молекул по сравнению с их кинетической энергией. Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда считаются абсолютно упругими. Некоторые реальные газы близки по своим свойствам к идеальному газу при условиях близких к нормальным (кислород, гелий), а так же при низких давлениях и высоких температурах. Макроскопическое состояние газа определяется давлением, температурой и объемом. В свою очередь давление, температура и объем являются параметрами, характеризующими макроскопическое состояние системы. Микроскопическое состояние газа определяется положением и скоростями всех его молекул. Параметры состояния системы могут изменяться.. Если состояние системы с течением времени не изменяется, то это стационарное состояние. Стационарное состояние системы, не обусловленное внешними процессами, называется равновесным состоянием системы. Уравнение, описывающее равновесное состояние термодинамической системы, называется уравнением состояния. Основные положения молекулярно-кинетической теории газов:

Первое положение молекулярно-кинетической теории - полная хаотичность движения молекул. В газе все направления движения молекул равноправны. Нет ни одного направления, в котором молекулы двигались бы в большем количестве или в котором преобладали бы более быстрые по сравнению с любым другим направлением молекулы.

Второе основное положение – пропорциональность средней скорости молекул корню квадратному их абсолютной температуры. Это положение является результатом опытов.

Третье положение – средние кинетические энергии молекул разных газов, находящихся при одинаковой температуре, равны между собой. Это положение также является результатом опытов.

 

7.2. Выводы.

 

1. В первой четверти 21 века представления о строении газов находятся в Ломоносовских временах. Теории структуры газов не должна базироваться на стенки сосуда. Необходима  теория строения газов в открытом пространстве

 

2. Выбор плотнейшей упаковки атомов в твёрдых телах не дал возможности разработать теории строения газов. Знание атомных радиусов по Брэггу не помогло создать физику газа.

 

3.. Буйно усеял плевелами золотое пшеничное поле науки физик-теоретик Я.И. Френкель. Хотя он считается выдающимся физиком, все его околонаучные измышления – сплошная ложь. Если во времена Ломоносова МКТ была этапом познания истины, то в настоящее время опираться на молекулярно-кинетическую теорию – глупость.

 

 

А8. Молекулярно-кинетическая теория – мощный тормоз для развития теоретической физики.

 

 

     8.1. Влияние открытий Лауэ и Брэгга на развитие теории строения вещества.

 

     У. Г. Брэгг в 1915 году писал [51], что с тех пор, как Лауэ предложил идею использовать кристалл как «пространственную дифракционную решетку» для Х‑лучей, кристаллография больше уже не обязана опираться только на внешнюю форму кристаллов, а может основываться на точных сведениях о расположении атомов внутри кристаллов. Более того, по-видимому, и само тепловое движение атомов в кристалле будет доступно не только наблюдению, но и точному измерению.

 

     Под напором неоспоримых фактов – дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, теоретическая физика признала упорядоченность строения минералов. Но, несмотря на плотнейшую упаковку атомов по Брэггу, в теории строения твёрдого тела всё равно атомы совершают колебательные движения. Молекулярно-кинетическая теория строении я вещества бессмертна и не намерена сдавать своих позиций.

     Были большие ожидания на раскрытие тайны строения физических объектов от величайшего открытия Лауэ о дифракции х-лучей на кристаллах и открытия Брэгга о плотнейшеё упаковке атомов в кристаллах, Подводя итоги влияния открытий Лауэ и Брэгга на развитие теории строения вещества, можно утверждать, что никакого влияния эти открытия не оказали.

 

 

8.2. Упущенные возможности в понимании строения вещества.

 

     В апреле 1912 года успех пришел к Вальтеру Фридриху, ассистенту Зоммерфельда и его аспиранту Паулю Книппингу [52]. Они сумели направить на сине-зеленый кристалл медного купороса узкий пучок рентгеновских лучей и зафиксировать рассеянное на кристалле излучение на фотопластинке. В результате получилась дифракционная картина из темных точек, которую они увидели, когда проявили пластинку (темные пятна на негативе соответствуют большей засветке). Так стало понятны сразу две вещи: рентгеновские лучи — это все-таки лучи (в отличие, например, от бета- и альфа-излучения), а во-вторых, в кристалле действительно есть упорядоченная решетка атомов. Оъявляя лауреата, представитель Шведской королевской академии сказал: «В результате открытия Лауэ неопровержимо установлено, что рентгеновское излучение представляет собой световые волны очень малой длины. Кроме того, оно привело к наиболее важным открытиям в области кристаллографии… Открытие Лауэ позволяет определить положение атомов в кристаллах и получить много полезных сведений». Сейчас, сто лет спустя, мы действительно понимаем, какой прорыв сумел совершить Лауэ на кончике пера.

     Система уравнений Лауэ достаточно нетривиальна в общем случае, однако есть простой подход, позволяющий получать из нее дифракционные максимумы [53]. Этот подход основан на понятии о кристаллографических плоскостях –  плоскостях, проведенных через три любые, не лежащие на одной прямой кристаллические узла.

Измерив в эксперименте углы рассеяния, можно получить сведения о расстояниях между соседними  кристаллическими плоскостями из различных семейств, что дает глубокие сведения о кристаллической структуре. Система уравнений оказывается избыточной. Это определяет вид дифракционной картины в рентгеновских лучах: даже при непрерывном их спектре: она содержит множество отдельных точек на общем черном фоне. Никаких дифракционных полос не наблюдается

Сделать эксперимент для Лауэ,   было непросто. Чтобы сделать эксперимент осуществимым, необходимо было учесть его технические особенности – тем более, что для наблюдения дисперсии необходимо было подвергать пластинку экспозиции в течение нескольких часов. Спектр излучения рентгеновской трубки был непрерывным, поэтому на дифракционной картине наблюдалось множество точек.

Значение исследований Лауэ и Брэггов в физике двадцатого века сложно переоценить: во-первых, была доказана волновая природа рентгеновских лучей, во-вторых, заложены основы рентгеноструктурного анализа, позволяющего исследовать периодические атомарные структуры сверхмелких масштабов. В-третьих, за экспериментами Лауэ скоро последовали эксперименты Дэвиссона–Джермера и Томсона–Тартаковского по рассеянию электронов на кристалле

 

     Дифракционная картина при непрерывном спектре х-лучей: содержит множество отдельных точек на общем черном фоне. Изображение на фотопластинке чёткое, никаких дифракционных полос не наблюдалось. Для наблюдения дисперсии необходимо было подвергать пластинку экспозиции в течение нескольких часов. В результате открытия Лауэ неопровержимо установлено, что рентгеновское излучение представляет собойсветовые волны очень малой длины. Кроме того, оно привело к наиболее важным открытиям в области кристаллографии: позволяет определить положение атомов в кристаллах. Это значительное достижение эксперимента Вальтера Фридриха и Пауля Книппинга. Но был ещё и третий выдающийся результат: дифракционная картина безапелляционно показала, что в кристаллах нет движения атомов, атомы неполвжны на своих местах. Если бы в крисаллах была кинетика атомов, дифракционная картина была бы не чёткой, а размазанной.

 

 

     8.3. Открытие отсутствия кинетики в кристаллах.

 

     Лауэ был теоретиком, сам он экспериментов не делал, поэтому попросил двух ассистентов Мюнхенского университета по фамилиям Книппинг и Фридрих — тогда он работал в Мюнхене — проделать такой эксперимент: взять кристалл чего-то, посветить на него рентгеновским лучом и на фотопленку зарегистрировать, что произойдет [33].

Но случилась одна любопытная коллизия — вернее, почти случилась. Дело в том, что начальником Фридриха и Книппинга был Арнольд Зоммерфельд, великий физик, работавший в то же самое время в том же самом месте — в Мюнхене. Зоммерфельд тоже был теоретиком, и он прикинул интенсивность теплового движения, скажем так, амплитуду теплового движения атомов при комнатной температуре. И по его первичным оценкам оказывалось, что атомы в ходе теплового движения будут отклоняться настолько сильно, что упорядоченное расположение атомов будет в значительной степени нарушено, а дифракция, может быть, наблюдаться не будет. И Зоммерфельд, огорошенный такого рода оценками, запретил Фридриху и Книппингу сотрудничать с Лауэ. Но они его не послушались, и это сыграло огромную роль в научном прогрессе. Они провели эксперимент, наблюдали явление дифракции, как Лауэ и ожидал, вопреки оценкам Зоммерфельда. Зоммерфельд позже понял, в чем была ошибка его расчетов, и не наказывал Фридриха и Книппинга. Наоборот, он был даже счастлив, что оказался неправ и что его ассистенты на самом деле помогли Лауэ совершить это великое открытие.

 

      Когда Зоммерфельд оказался неправ в оценке теплового движения атомов, он одновременно был очень прав, что никакого теплового движения в атомах кристаллов нет! Зоммерфельд стоял на грани открытия отсутствия кинетики в кристаллах, но не сделал его.

     Основовыясь на на нобелевском эксперименте Лауэ о дифракции рентгеновских лучей на кристалле, в результате которой отец и сын Брэгги стали лауреатами Нобелевской премии, автор этой работы делает вывод, что чёткая дифракционная картина, зафиксированная в результате эксперимента, неоспоримо доказывает, что кинетики атомов в кристаллах не существует.

     Атомы кристалла неподвижны относительно друг друга, нет беспорядочного броуновского движения и колебаний вокруг своего местонахождения.

     Чёткая дифракционная картина дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ещё в 1912 году засвидетельствовала, что время молекулярно-кинетической теории ушло в прошлое.

     МКТ не соответствует истине, и все направления исследований в теоретической физике, связанные с кинетикой атомов в веществе – ложные.

     МКТ является мощным тормозом в развитии теоретической физики. Отбросив в историю науки молекулярно-кинетическую теорию, как не соответствующую истине, физика выйдет из глухого тупика, в котором она находится сейчас.

 

8.4. Выводы.

 

1. Открытия Лауэ дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и Брэгга о плотной упаковке атомов в кристаллах никаким образом не привели к прогрессу в исследовании строения твёрдых тел.

 

2. Чёткая картина дифракции рентгеновских лучей на кристаллах неоспоримо свидетельствует об отсутствии кинетики в кристаллах. Это открытие должны были сделать физики ещё в 1912 году.

 

3. Все направления исследований в теоретической физике, связанные с кинетикой атомов в веществе – ложные. Далее проводить такие исследования – безумие.

 

 

А9. Современное состояние представлений о строении минералов в кристаллографии.

 

9.1. Влияние открытия Брэгга на представления о структуре кристаллов.

 

     Кристаллическая решётка представляет собой материально-прерывистую периодически упорядоченную среду, ограниченную поверхностями кристалла [54]. В узлах такой среды расположены частицы – атомы, ионы, иногда молекулы. Моделью является пространственная решётка – бесконечный упорядоченно построенный континуум. Выдающийся русский кристаллограф Е. С. Фёдоров в 1890 году установил, что для внутреннего строения кристаллов возможны 230 пространственных групп симметрии.

Особенности строения большинства кристаллов условно рассматривают как пространственную упаковку малых твёрдых несжимаемых шаров, которые укладываются так, чтобы упаковка обладала наибольшей симметрией и компактностью. Это условие выполняется, если каждый шар соприкасается с шестью шарами. При этом в плоском слое каждый шар окружён шестью треугольными пустотами, а каждая из пустот – тремя шарами.

В модели плотноупакованной структуры существует возможность размещения между основными атомами других частиц меньшего диаметра так, чтобы они касались окружающих атомов. Принцип плотной упаковки играет важную роль в оценке кристаллических структур определённых классов минералов.

В современной геологии, кроме плотной шаровой упаковки, используют ещё две формы: координационные полиэдры и шариковые модели. Координационный полиэдр – пространственный многогранник, в центре которого расположен катион, в вершинах – анионы. Понятие о координационном полиэдре ведено Л. Полингом и в дальнейшем использовано Н. В. Беловым и его школой для наглядного графического изображения кристаллических структур. В шариковой модели каждый атом (ион) представляется в форме шарика, причём его величина для частиц разного сорта различна.

 

     Минералы, характеризующиеся кристаллическим строением, имеют упорядоченное расположение слагающих их мельчайших частиц: атомов, ионов и молекул [55]. Упорядоченное, закономерное расположение этих частиц образует так называемую кристаллическую или пространственную решетку. Модель структуры, построенной из материальных частиц одного сорта, имеющих сферическую симметрию, т. е. из равновеликих, несжимаемых шаров, прилегающих друг к другу. Плотно уложенные шары занимают лишь 74% заполняемого ими объема, а 26% приходится на пустоты между шарами. Примером построения кристаллической структуры вещества почти точно по принципу плотнейшей упаковки может являться корунд. В нем крупные ионы кислорода образуют двухслойную плотнейшую упаковку, 2/3 октаэдрических пустот занято ионами алюминия, тетраэдрические позиции свободны. Однако число минералов с идеальной плотнейшей упаковкой атомов относительно невелико. Большинство же минералов имеет сложные кристаллические постройки, в них лишь строение отдельных блоков отвечает принципу идеальной плотнейшей упаковки атомов. В идеальных плотнейших упаковках координационное число зависит от соотношения размеров ее атомов: если один вид атомов слагает упаковку, то от размера других атомов зависит то, в какую пустоту (тетраэдрическую или октаэдричекскую) они могут поместиться. Однако идеальные плотнейшие упаковки атомов возможны только в структурах минералов с ненаправленными, т. е. полностью ионными или металлическими химическими связями между атомами. В минералах с ковалентной связью координационное число зависит от соотношения размеров атомов и характера расположения в пространстве валентных орбиталей электронов. Максимально возможное число соседствующих атомов определяется соотношением их размеров, а реальное число может оказаться иным в зависимости от числа и положения валентных орбиталей.

   В минералах одной из важнейших характеристик является его структура, т.е. строение кристаллической решетки минерала [56]. В кристаллической решетке выделяются узлы – точки, в которых располагаются материальные частицы: атомы, ионы, иногда группа частиц. Узлы соединяются в ряды – совокупность материальных точек на прямой линии; и в плоские сетки – совокупность тех же точек на плоскости. Чем характеризуется каждая кристаллическая структура? Параметрами элементарной ячейки, -- наименьшей единицы решетки, повторяемость которой дает возможность построить всю решетку. В зависимости от симметрии кристалла параметры ячейки будут различны. Теперь - важнейший момент, который необходимо помнить, - что реальная структура минерала - это совокупность не математических точек, а реальных частиц, имеющих объем, и потому размещение их в пространстве непременно это учитывает. Как располагаются частицы, так и определяются типы кристаллических структур минералов.

Первое, с чем мы столкнулись, - это плотнейшая упаковка частиц. При плотнейшей упаковке заполненным оказывается 3/4 объема, а 1/4 объема приходится на пустоты, которые бывают двух сортов - тетраэдрические и октаэдрические. В соединениях с мотивом плотнейшей упаковки в этих пустотах могут располагаться маленькие частицы, диаметр которых позволяет им там «поселиться». При этом, конечно, эти маленькие частицы будут полярны по знаку крупным, образующим упаковку, так, чтобы в целом структура была электронейтральной. В минералах такими крупными частицами обычно являются анионы, а маленькими, заполняющими пустоты - катионы, - исходя из представления об объеме заряженных ионов. Очень важным является при таком заселении число ближайших соседей противоположного знака - то, что называют координационным числом. При заселении тетраэдрической пустоты маленький ион будет иметь 4 больших ближайших соседа. Для октаэдрической пустоты - КЧ=6. В металлах - КЧ=12..

В реальных случаях число заселяемых пустот - и какие именно пустоты - будет зависеть не только от размеров частиц, но и определяться типом соединения, характером связи, которую они могут образовать, и, кроме того, зависит от термодинамических условий.

 

     У. Г. Брэгг в январе 1915 года писал: чтобы охватить возможности и понять современное развитие новой области науки, необходимо овладеть Х‑лучами и кристаллографией [51]. Поскольку эти отрасли науки никогда ранее не соприкасались, можно ожидать, что тем, кто проявит интерес к этим новым проблемам, будет мешать незнание одного или другого из этих взаимосвязанных вопросов.

 

     Столетиями пути минералогии (кристаллографии) и физики (теоретиеской физики) не пересекались. Физика лелеяла и развивала молекулярно-кинетическую теорию, а минералогия – законы образования кристаллических структур и законы их строения.

     Первый же перекрёсток кристаллографии и теоретиеской физики дал ошеломляющий результат: Макс Лауэ открыл возможность экспериментального определения межплоскостного расстояния в кристаллах. Продолжение триумфа Лауэ не зставило долго себя ждать: молодой исследователь Уильям Лоренс Брэгг, приняв за основу плотнейшую упаковку атомов, рассчитал радиусы атомов. Работу Брэгг выполнил со своим отцом У. Г. Брэггом. Выдающиеся достижения отца и сына были увенчаны Нобелевскими премиями.

     Прикладной кристаллографии было лестно не отставать от теоретической физики, достижения которой были освящены градом Нобелевских премий: Макса Лауэ, Уильяма Лоренса Брэгга и Уильяма Генри Брега. Кристаллография отложила в сторону свою пространственную решётку и приняла на вооружение плотнейшую упаковку атомов в кристаллах. Хотя плотная упаковка и дальше называлась пространственной решёткой, но каждому известно, что решётка должна занимать только часть пространства, а другая часть должна быть свободной.

     Плотнейшая упаковка атомов стала основным представлением исследования в кристаллографии. Основываясь на эксперименте Лауэ, плотнейшая упаковка атомов в кристаллах вошла в учебники [8, стр. 54 -- 62]. Но при описании кристаллических структур кристаллографию стесняла плотнейшая упаковка, и кристаллографы использовали такие структуры, как координационные полиэдры и шариковые модели.

     Тем не менее, плотнейшая упаковка атомов в кристаллической структуре стала главным мотивом в описании структуры минералов.

 

 

9.2. Выводы.

 

1. Особенности строения большинства кристаллов условно рассматривают как пространственную упаковку малых твёрдых несжимаемых шаров, которые укладываются так, чтобы упаковка обладала наибольшей симметрией и компактностью.

 

2. В модели плотноупакованной структуры существует возможность размещения между основными атомами других частиц меньшего диаметра так, чтобы они касались окружающих атомов.

 

3. Большинство минералов имеет сложные кристаллические постройки, в них лишь строение отдельных блоков отвечает принципу идеальной плотнейшей упаковки атомов.

 

4. Идеальные плотнейшие упаковки атомов возможны только в структурах минералов с ненаправленными, т. е. полностью ионными или металлическими химическими связями между атомами.

 

5. Прикладной кристаллографии было лестно не отставать от теоретической физики, достижения которой были освящены градом Нобелевских премий. Кристаллография отложила в сторону свою пространственную решётку и приняла на вооружение плотнейшую упаковку атомов в кристаллах.

 

6. При описании кристаллических структур кристаллографию стесняла плотнейшая упаковка, и кристаллографы использовали такие структуры, как координационные полиэдры и шариковые модели.

 

7. Тем не менее, плотнейшая упаковка атомов в кристаллической структуре стала главным мотивом в описании структуры минералов.

 

8. Физика не желает опираться на на достижения минералогии, а идёт своим скорбным путём.

 

 

А10. Судьбоносная для науки ошибка Брэгга – начало лжи в физике твёрдого тела.

 

10.1. Ошибка Брэгга превратила физику твёрдого тла в филькину грамоту.

     Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, натолкнула учёных ещё в XVII веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента [57]. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку. Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твёрдого тела является 8 июня 1912 года. В этот день в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Этой работой было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твёрдого тела, какой мы знаем её сегодня. В годы, непосредственно следующие за 1912 годом, в физике твёрдого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристаллическими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 года с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI. После открытия дифракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчётами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов.

 

     В теоретической физике и кристаллографии прочно утвердилась концепция плотнейшей упаковки атомов в кристаллах. С 1913 года, когда Брэгг сделал открытие плотнейшей упаковки и рассчитал атомные радиусы, прошло более ста лет. Но в Интернете нет ни одной работы, альтернативной взглядам Брэгга. Так уже повелось, что любая нелепица, награждённая Нобелевской премией, становится непреложной истиной в последней инстанции.

     Говорят, что и один в поле – воин. Таким воином оказался Евграф Степанович Фёдоров. В работе [33] ему посвящена только одна строка с оскорблением и обвинением: «Вслед за дифракционным анализом кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI, Брэггом были опубликованы структуры десятков различных кристаллических объектов. Были сформулированы правила, которым подчиняются кристаллические структуры. Было доказано, что все кристаллические структуры полностью описываются 230 пространственными группами Федорова. Это был триумф теории Федорова. Но сам Федоров рентгеноструктурного анализа так и не понял и так и не принял до конца своих дней”.

     Фёдоров, в отличие от всего научного сообщества, не признал плотнейшей упаковки атомов в кристаллах. И правильно сделал.

     Юный У. Л. Брэгг, имея слабые познания в логике, зная расстояние между двумя атомными плоскостями, сделал роковую и трагическую ошибку для теоретической физики. Для определения радиусов атомов в одноатомных структурах расстояние между двумя атомными плоскостями Брэгг разделил на два. Ведь была альтернатива: 1) радиус атома был равен одной второй расстояния между атомными плоскостями; 2) радиус атома меньше половины расстояния между атомными плоскостями. Брэгг выбрал плотную упаковку атомов.

     Е. С. Фёдоров, выдающийся кристаллограф, разработавший 230 пространственных решёток возможного строения кристаллов, знал больше и лучше всё о структуре кристаллов, чем 23 летний студент исследователь У. Л. Брэгг. Брэгг, не имея достаточной научной подготовки, безапелляционно принял концепцию плотной упаковки атомов в кристаллах. Хоть была альтернатива этому выбору: два радиуса атомов могли быть меньше межплоскостного расстояния, но такая альтернатива даже не рассматривалась.

     Лауэ сделал великое открытие для познания природы вещества, но теоретическая физика не смогла воспользоваться этим драгоценным подарком в полной мере. После открытия Лауэ в 1912 году родилась физика твёрдого тела. Но уже в 1913 году после открытия Брэгга бесславно погибла. Открытие Брэгга о плотнейшей упаковке атомов в кристалле превратило в одно мгновение физику твёрдого тела в филькину грамоту.

     Результаты принятия теоретической физикой плотнейшей упаковки атомов плачевны. Хотя считается, что уже создана теория строения твёрдого тела, но её фактически нет. В кратком обзоре современного состояния теории твёрдого тела в этой статье показано, что можно диву дивиться, какие пишут глупости. Теория строения жидкости до сих пор не создана, и не может быть никогда создана, пока будет торжествовать плотнейшая упаковка атомов в твёрдом теле. Как уже было сказано,  теории строения газов находится в состоянии Ломоносовских времён.

     Почему теоретическая физика выделила в отдельное направление исследований – физику твёрдого тела? А если это же твёрдое тело находится в ином агрегатном состоянии в виде жидкости или газа, неужели нужны другие теории строения? Теория строения вещества должна быть общей и единой вне разделения на агрегатные состояния.

     Плотнейшая упаковка атомов в кристалле не соответствует истине. Поэтому все работы по физике твёрдого тела, сделанные многими поколениями физиков с использованием концепции плотнейшей упаковки атомов в твёрдых телах – ложные и очень далёкие от науки. Выпущены сотни книг, написано тысячи статей, выходят десятки журналов, и всё это – околонаучная макулатура. Грустно, но факт.

 

 

10.2. Открытие истины об атомах в кристаллах.

 

     Может существовать 230 различных кристаллических структур. Соответственно в разных кристаллах межплоскостные расстояния будут различными. Брэгг определил размер межплоскостного расстояния как сумму радиусов атомов, составляющих эти две плоскости. Поэтому для каждого вида кристалла атом одного и того же химического элемента имеет свой радиус. Возникает неопределённость в размере радиуса атома, которая упрямо свидетельствует об ошибке в концепции Брэгга.

     Атомный радиус не зависит от величины межплоскостного расстояния. Совершенно ясно из вышесказанного, что сумма двух радиусов атомов, образующих смежные плоскости, меньше величины межплоскостного расстояния. Хоть это и открытие истины, но одновременно и закрытие открытия Нобелевского лауреата Уильяма Лоренса Брэгга.

     Радиус атома – величина переменная, атом – как живой организм. При постоянной температуре и давлении атомы в веществе имеют неизменный размер. Изменение параметров внешней среды  мгновенно изменяет радиусы атомов. Наличие градиента температур приводит к термическому расширению (сжатию) и к теплопередаче (теплоприёму), что изменяет размеры атомов.

     Поэтому в рассуждениях о размерах атомов надо привязываться к нормальным условиям, иначе мнения о размерах атомов пустые.

 

 

10.3.Выводы.

 

1. Лауэ сделал для развития физики бесценное открытие: дифракцию рентгеновских лучей на кристалле. Но физики в полной мере не смогли достойно воспользоваться этим важнейшим для теоретической физики открытием.

 

2. Брэгг допустил судьбоносную ошибку для физики твёрдого тела, выбрав плотнейшую упаковку атомов в кристалле, чем превратил физику твёрдого тела в филькину грамоту.

 

3. Неопределённость в размере радиусов атомов упрямо свидетельствует об ошибке в концепции Брэгга. На основании неопределённости радиуса атомов открыто, что сумма двух радиусов атомов, образующих смежные плоскости, меньше величины межплоскостного расстояния. Атомный радиус не зависит от величины межплоскостного расстояния..

 

4. Не должно быть в теоретической физике теории твёрдого тела, теории жидкости и теории газа. Должна быть общая единая теория строения вещества.

 

5. Книги и журналы, в публикациях которых используется концепция Брэгга о плотнейшей упаковке атомов в твёрдом теле – околонаучная макулатура.

 

6. Может существовать 230 различных кристаллических структур. Соответственно в разных кристаллах межплоскостные расстояния будут различными.

 

 

А11. Теория создания структуры  физических объектов: твёрдых тел, жидкостей и газов.

 

11.1. Теория создания структуры физических объектов.

 

     Должна быть универсальная физика строения вещества, которая с единой позиции объясняет строение твёрдого тела, жидкости и газа. Такая теория создания структуры физических объектов приводится в работе [58].

     Об участии гравитационного поля (эфира) в образовании структуры стекла впервые сообщалось в работе [59] и далее развита роль эфира для формирования структуры всех физических объектов в работе [60].

 

     В атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре, поэтому атом электрически нейтральный [61]. Но как из нейтральных атомов образуется молекула? Здесь объяснения туманны и расплывчаты.

 

     Молекула – электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов [62]. В физике к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные атомы. Причисление к молекулам одноатомных молекул, то есть свободных атомов, приводит к смещению понятий «молекула» и «атом».

 

     Как же из электронейтральных атомов образуются молекулы и далее из электронейтральных молекул твёрдые тела? Когда атомы сближаются друг с другом и их электронные оболочки почти соприкасаются, то может произойти такая перестройка электронных конфигураций атомов, что энергия всей системы несколько уменьшится [63]. При этом возникает связанное состояние сблизившихся атомов. Это и есть молекула. Хотя молекулы нейтральны, на больших расстояниях они притягиваются друг к другу всегда, вне зависимости от того, как построены. Состав и структура молекул определяют величину силы притяжения и её зависимость от расстояния между молекулами – обстоятельство очень важное для понимания строения и свойств макроскопических тел. При соприкосновении молекулы отталкиваются. Тоже всегда. Отталкиваются по той же причине, по которой отталкиваются атомы при образовании молекул. Принцип, заставляющий молекулы конденсироваться в кристалл, тот же, что "руководил" электронами при построении атомов, а атомами – при построении молекул. Система частиц должна обладать энергией меньшей, чем та, которую она имела, когда частицы были друг от друга далеко и потому независимы. Но этого мало. Частицы должны расположиться в пространстве так, чтобы им было "неповадно", чуть сдвинувшись, уменьшить свою энергию. Если бы это условие не было выполнено, частицы не преминули бы действительно сойти со своих мест.

 

     Конечно, объяснения образования молекул из атомов и твёрдых тел из молекул примитивны и совершенно неубедительны. Ни физика, ни химия не знают, как из нейтральных атомов и молекул образуются твёрдые тела, жидкости и газы.

     Проблема теоретического тупика в науке возникла из-за парадигмы о нейтральности атомов и молекул. Да, так бы и было, если бы атомы находились в пустоте. Но абсолютно всё мировое пространство заполняет эфир. Эфир – вселенское неподвижное мощное силовое электромагнитное поле в нейтральном состоянии, в котором скомпенсированы положительные и отрицательные заряды, они не проявляют электрических и магнитных свойств. Поле имеет большую устойчивость, не подвержено никаким деформациям и свободно пропускает через себя все движущиеся объекты. Эфир представляет безмассовую структуру, состоящую из электрических зарядов. Нахождение материи в мощном электромагнитном поле эфира при взаимодействии с ним приводит к изменению свойств атомов. Атомы никогда не находятся вне поля эфира.

     Связующим началом для построения структуры любого тела является физическое поле эфира. Эфир – вселенское нематериальное неподвижное нейтральное электромагнитное поле большой мощности, которое служит матрицей для образования структуры всех материальных физических объектов, придавая электронейтральным атомам их физические свойства. Эфир представляет трёхмерную изотропную матрицу, в которой формируются многообразие атомов всех химических соединений, газов, жидкостей и твёрдых тел, а также их смесей.

     Эфир имеет первостепенное значение в формировании структуры всех физических объектов во всех агрегатных состояниях. Именно, не химический состав, а структура твёрдых тел, жидкостей и газов ответственна за комплекс физико-химических свойств каждого объекта природы.

      Не эфир встраивается в структуру вещества, а наоборот, вещество в виде атомов располагается в структурной сетке эфира. В матрице эфира атомы любого вещества располагаются по принципу минимальной потенциальной энергии. Вещество в результате взаимодействия со структурой эфира приобретает присущие ему физические свойства. Эфир – нематериальная субстанция, состоит из структурной сетки положительных и отрицательных зарядов, не имеет массы и не сопротивляется движению материи. Структуру и свойства каждого агрегатного состояния вещества определяет эфир влиянием своего электромагнитного поля.

     Как же устроено всё многообразие физических объектов во всех трёх агрегатных состояниях? Что же связывает в единый блок все физические объекты? Таким средством является коллективная химическая связь. В работах [59, 60] разработана модель коллективной химической связи атомов вещества с участием гравитационной составляющей (эфира).

    Теория строения атома, изложенная в работе [64], позволяет по-иному взглянуть на теории химических связей. Так как электрон никогда спонтанно не покидает атом, рушатся все представления о ковалентных, ионных и металлических химических связях, которые рассматривают оторванную от вещества одну или две молекулы. Молекулы электронейтральны, но электронейтральные молекулы не способны создать никакого тела.

     В коллективной химической связи все атомы физического объекта и эфира взаимодействуют друг с другом, создавая физическое поле, в котором занимают положения с минимальной потенциальной энергией для всего тела.

     Эфир служит матрицей для построения физических тел: в поле эфира эфиром и атомами физического объекта образуется коллективная химическая связь. При взаимодействии зарядов вещества и эфира образуется нейтральное устойчивое электромагнитное поле, в котором каждый атом вещества находится в отдельной ячейке эфира. В трёхмерной сетке эфира атомы располагаются так, что в зависимости от химического состава образуются газы, жидкости и твёрдые тела во всём их разнообразии.

     Размеры атомов малы, в 1000, а вполне возможно, что почти и в 5000 раз меньшие, чем считаются сейчас их ионные и атомные радиусы, определённые по методике Брэгга [8, стр. 54 – 62]. Как сами атомы, так и все физические объекты имеют ажурные конструкции, что обеспечивает их беспрепятственное перемещение в эфире.

     Таким образом, физическое поле материальных тел: газа, жидкости и твёрдого тела – результат взаимодействия тела с эфиром. Атомы в физических объектах не притягиваются между собой и не отталкиваются, а встраиваются в структурную сетку эфира по принципу минимального потенциального состояния. В результате формируются свойства физических объектов – тела приобретают прочность, образуются единственно возможная структура для данного химического состава.

     В зависимости от химического состава прочность физических объектов разная: в твёрдых телах возникают прочные химические связи, а в жидкостях и газах очень слабые. Общее свойство жидкостей и газов в том, что они имеют слабые химические связи, которые очень легко разрушаются, но немедленно восстанавливаются в матрице эфира, в отличие от твёрдых тел.

     Строго определённое строение имеют не только химические соединения, но и любые их смеси, например, воздух. В смесях атомы входящих компонентов составляют структуру в соответствие с зарядами атомов в электромагнитной матрице эфира. В воздухе огромные расстояния между составляющих его атомами, общий объём атомов воздуха в единице пространства составляет всего 0,000073. Пространство, занимаемое молекулами газов, ничтожно мало, но, несмотря на это, воздух образует однородную смесь газов со стабильным химическим составом. Атомы воздуха равномерно распределяются в пространстве электромагнитным полем эфира в соответствие с зарядами. При сжатии или откачке воздуха эфир остаётся неизменным, в новых условиях образуется другая, но снова равномерная структура.

     Фактически, все физические тела состоят не из молекул, а из атомов. Отдельную молекул никто никогда не выделил, да её и выделить невозможно. Причиной построения структуры всех веществ и их смесей является минимальная потенциальная энергия, она определяет стехиометрический состав, соответствующий химическим формулам веществ. Но химическая формула – не молекула. Атомы в структуре физических тел отстоят друг от друга на такие большие расстояния, что нельзя говорить об их объединении в какую-либо общую структуру. Атомы в структуре газов, жидкостей и твёрдых тел не объединяются: каждый атом занимает отдельную ячейку эфира, его положение определяется электростатическим взаимодействием коллективной химической связи. Атомы любого физического объекта образуют структуру, связующим звеном которой является коллективная химическая связь. Любой физический объект – одна большая молекула.

     Коллективная химическая связь, в которой участвуют атомы химического соединения и электромагнитное поле эфира, является единственной универсальной химической связью во всех агрегатных состояниях вещества. Все физические объекты построены одинаково: в матрице эфира располагаются атомы, и не требуется отдельных теорий строения газов, жидкостей и твёрдых тел. Эфир играет главенствующую роль в формировании структуры материальных физических объектов.

 

 

11.2. Выводы.

 

1. Эфир – физическое поле, структурная сетка которого служит матрицей для существования всех материальных физических объектов: газов, жидкостей и твёрдых тел. Эфир – нематериальная субстанция, состоит из структурной сетки положительных и отрицательных зарядов, не имеет массы и не сопротивляется движению материи.

 

2. Постулат о плотнейшей упаковке атомов в твёрдом теле является крупнейшей ошибкой физики твёрдого тела. Значения радиусов атомов, рассчитанных из плотной их упаковки в твёрдых телах, завышены, как минимум, в 1000 раз.

 

3. Связующим началом для построения структуры любого тела является физическое поле эфира. Эфир – вселенское нематериальное неподвижное нейтральное электромагнитное поле большой мощности, которое служит матрицей для образования структуры всех материальных физических объектов, придавая электронейтральным атомам их физические свойства.

 

4. Эфир имеет первостепенное значение в формировании структуры всех физических объектов во всех агрегатных состояниях. Не эфир встраивается в структуру вещества, а наоборот, вещество в виде атомов располагается в структурной сетке эфира. В матрице эфира атомы любого вещества располагаются по принципу минимальной потенциальной энергии.

 

5. Размеры атомов малы, как сами атомы, так и все физические объекты: газы, жидкости и твёрдые тела имеют ажурные конструкции.

 

6. Фактически, все физические тела состоят не из молекул, а из атомов. Отдельную молекул никто никогда не выделил, да её и выделить невозможно. Причиной построения структуры всех веществ и их смесей является минимальная потенциальная энергия, она определяет стехиометрический состав, соответствующий химическим формулам веществ.

 

7. Атомы в структуре газов, жидкостей и твёрдых тел не объединяются в молекулы: каждый атом занимает отдельную ячейку эфира, его положение определяется электростатическим взаимодействием коллективной химической связи.

 

8. Коллективная химическая связь, в которой участвуют атомы химического соединения и электромагнитное поле эфира, является единственной универсальной химической связью во всех агрегатных состояниях вещества.

 

9. Все физические объекты построены одинаково: в матрице эфира располагаются атомы, и не требуется отдельных теорий строения газов, жидкостей и твёрдых тел. Эфир играет главенствующую роль в формировании структуры материальных физических объектов.

 

 

А12. Общие выводы.

 

1. Чёткая картина дифракции рентгеновских лучей на кристаллах неоспоримо свидетельствует об отсутствии кинетики в кристаллах. Это открытие должны были сделать физики ещё в 1912 году.

 

2. Все направления исследований в теоретической физике, связанные с кинетикой атомов в веществе – ложные. Далее проводить такие исследования – безумие.

 

3. Брэгг допустил судьбоносную ошибку для физики твёрдого тела, выбрав плотнейшую упаковку атомов в кристалле, и превратил физику твёрдого тела в филькину грамоту.

 

4. Неопределённость в размере радиусов атомов упрямо свидетельствует об ошибке в концепции Брэгга. На основании неопределённости радиуса атомов открыто, что сумма двух радиусов атомов, образующих смежные плоскости, меньше величины межплоскостного расстояния.

 

5. Книги и журналы, в которых публикуются статьи по физике твёрдого тела с использованием плотнейшей упаковки атомов в твёрдом теле – околонаучная макулатура.

 

6. Эфир – физическое поле, структурная сетка которого служит матрицей для существования всех материальных физических объектов: газов, жидкостей и твёрдых тел. Эфир – нематериальная субстанция, состоит из структурной сетки положительных и отрицательных зарядов, не имеет массы и не сопротивляется движению материи.

 

7. Все физические объекты построены одинаково: в матрице эфира располагаются атомы, и не требуется отдельных теорий строения газов, жидкостей и твёрдых тел. Эфир играет главенствующую роль в формировании структуры материальных физических объектов.

 

 

А13. ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ

 

[1] https://istall.ru/osnovy-kristallografii-istoriya-razvitiya-kristallografii-kak-nauki.html

[2] https://vuzlit.ru/328280/istoriya_razvitiya_kristallografii_kak_nauki

[3] https://helpiks.org/4-96561.html

[4] http://ecosystema.ru/08nature/min/1_4_1_4.htm

[5] https://studref.com/503988/geografiya/geometricheskaya_kristallografiya

[6] http://course-crystal.narod.ru/p19aa1.html

[7] https://nashol.com/2015040983985/fizicheskoe-materialovedenie-tom-1-fizika-tverdogo-tela-kalin-b-a-2007.htm

[8] Н. А. Торопов, Л. Н. Булак. Кристаллография и минералогия. Изд. лит. по строительству, Л., 1972. стр.53 – 54.

[9]https://studbooks.net/2460196/prochie_distsipliny/prostranstvennaya_reshyotka

[10] https://studfiles.net/preview/3563814/page:34/

[11] https://ru.wikipedia.org/wiki/Минералогический_музей

[12] http://solium.ru/forum/showthread.php?t=5071

[13] http://geo.web.ru/druza/Musei-Mir.htm

[14] https://ru.wikipedia.org/wiki/Молекулярно-кинетическая_теория

[15] https://studfiles.net/preview/4415420/page:2/

[16] https://educon.by/index.php/materials/phys/molekuliarnaja

[17] https://lektsia.com/5x3868.html

[18] https://studopedia.su/12_63000_molekulyarno--kineticheskaya-teoriya-zhidkostey.html

[19] https://www.calc.ru/Model-Stroyeniya-Zhidkosti-V-Molekulyarnokineticheskoy-Teori.html

[20] https://www.chem21.info/info/1500396/

[21] https://www.calc.ru/Model-Stroyeniya-Tverdogo-Tela-V-Molekulyarnokineticheskoy-T.html

[22] https://infopedia.su/13x9944.html

[23] http://www.bibliotekar.ru/2-8-72-kapica/192.htm

[24]https://www.lgroutes.com/Famous/Scientific/Max_Laue.html

[25] https://indicator.ru/article/2017/06/21/maks-fon-laue/

[26] http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/difrakciya-rentgenovskix-luchej/

[27] http://novmysl.ru/Optics/Laue_XDiffraction.html

[28] https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/029/534.htm

[29]https://spravochnick.ru/himiya/dosrochnoe_pogashenie_obligaciy/obligacii/difrakciya_rentgenovskih_luchey/

[30] https://ru.wikipedia.org/wiki/Брэгг,_Уильям_Лоренс

[31] http://nobeliat.ru/laureat.php?id=498

[32] У. Л. Брэгг.Кристаллическая структура минералов. 1967.

http://www.geologam.ru/mineralogy/elements/metally-i-polumetally

[33] https://surfingbird.ru/surf/pervye-opredeleniya-kristallicheskih-struktur--ziuV4eeBB#.XQTwPisucgs

[34]https://studwood.ru/1277353/geografiya/atomnye_ionnye_radiusy

[35] Урусов В.С., Ерёмин Н.Н. Кристаллохимия. Краткий курс М.— МГУ, 2004. http://wiki.web.ru/wiki/Радиус_атомный

[36] https://mylektsii.ru/13-46136.html

[37] https://znaesh-kak.com/x/x/определение-радиусов-атомов-и-ионов

[38] Еремин Н.Н. Сборник: Тезисы докладов IX Всероссийской конференции "Минералы: строение, свойства, методы исследования" https://istina.msu.ru/publications/article/96863415/

[39]https://studwood.ru/1277353/geografiya/atomnye_ionnye_radiusy

[40] https://ru.wikipedia.org/wiki/Твёрдое_тело

[41] https://studfiles.net/preview/6131970/page:24/

[42] http://zdmat.ru/per/42.html

[43]https://vuzlit.ru/731380/klassifikatsiya_suschnost_osnovnyh_teorii_stroeniya_zhidkih_rasplavov

[44] https://www.calc.ru/Model-Stroyeniya-Zhidkosti-V-Molekulyarnokineticheskoy-Teori.html

[45] https://studfiles.net/preview/551542/

[46]https://spravochnick.ru/fizika/fizika_zhidkostey/molekulyarnaya_fizika_zhidkostey/

[47] https://www.ngpedia.ru/id507266p1.html

[48] https://mybiblioteka.su/tom3/3-5850.html

[49] Г. Я. Мякишев. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/061/207.htm

[50] https://studfiles.net/preview/4415420/page:2/

[51] У. Г. Брэгг. http://www.bibliotekar.ru/2-8-72-kapica/192.htm

[52] https://indicator.ru/article/2017/06/21/maks-fon-laue/

[53] http://novmysl.ru/Optics/Laue_XDiffraction.html

[54]https://studref.com/580984/geografiya/ponyatie_otsenke_kristallohimicheskogo_stroeniya_mineralov

[55] https://pandia.ru/text/82/625/63465.php

[56] https://studizba.com/lectures/6-gorno-geologicheskaya-otrasl/209-lekcii-po-mineralogii/2531-2-stroenie-i-himizm-mineralov.html

[57] https://ru.wikipedia.org/wiki/Физика_твёрдого_тела

[58] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys4.htm

[59] А. И. Болутенко. Научные гипотезы. Физика стекла, гип. 1, 1977.

[60] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys3.htm

[61] http://www.xumuk.ru/encyklopedia/401.html

[62] https://ru.wikipedia.org/wiki/Молекула

[63] http://nauka.relis.ru/05/0312/05312038.htm

[64] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys2.htm

 

26.07.2020

 

 

 

 [A1]