Вакансии и окружающий мир.

Автор делает попытку показать, что вакансии (частицы, относящиеся к классу бозонов), будучи структурным точечным дефектом в твердом теле являются составной частью любого вещества во всех его состояниях, обуславливают его температуру и физико-химические свойства. Изменение энергии вещества в процессе химических превращений, и естественно, проявляющееся как теплообмен, обуславливает изменение числа вакансий (частиц), являющихся присоединяемыми или отделяемыми частицами присущими любым веществам.

Немножко философии

Рассмотрение поведения вакансий, начиная от их возникновения, размножения, многоликости их проявления в разных химических и физических процессах, также их же проявлениях в электрических и магнитных полях, свидетельствует о том, что вакансии присущи всем видам материи, включая животный и растительный мир.

Описание вакансий началось с введения понятия энтропии в термодинамике, однако сами вакансии исключили из рассмотрения, они были открыты на рубеже пятидесятых годов прошлого века. В середине XIX века было непонятно, как математически описать явления термодинамических процессов при отсутствии научно открытого (на уровне того времени) переносчике тепла (теорию флогистона рассматривать не будем), поэтому появилось введение отрицательной работы при описании охлаждения.

Вакансии проявляют себя по-разному: в твердом теле как дефекты структуры (так они фиксируется); в жидкостях как пар при объединении их в кластеры; в газе как увеличение объёма, обусловленного слиянием вакансии с элементами, составляющим газ. В плазме как основная частица, отделенная от элемента, представляющего окружающую среду, и, естественно, как переносчик электромагнитного поля при излучении, обладая спином.

Исходя из изложенного, делается попытка рассмотреть вакансию как составляющую любого сложного и простого вещества, которая является частицей, проявляющей их взаимодействие. По всей вероятности, вакансии являются связующим звеном от неживой природы к живой.

Вместо предисловия

Автор эссе предпринял попытку ясного изложить его понимание физических свойств вакансий, их роли в физических процессах. Например, математики гениально описывали условие возникновения вакансий и их взаимодействие со средой, находя решения уравнения Фоккера – Планка – Колмогорова и не соотнося с конкретным физическим объектом и его взаимодействием с окружающей средой.

В физической химии термодинамики [Л1] рассматриваются системы, в которых может меняться состав или возможен обмен веществом с окружающей средой. Первый случай, когда в системе протекают химические реакции, второй это случай равновесия двух и большего числа фаз, какого либо вещества. При этом вводится понятие химического потенциала μ, где оно представляет собой термодинамический потенциал Гиббса, приходящийся на одну частицу

μ ═ Ģ ⁄ Ν,

где Ģ – потенциал Гиббса, Ν – число переменных частиц в однородной среде.

Более строгое определение по [Л2] «Химический потенциал тела (состоящего из одинаковых частиц) есть ни что иное как, его термодинамический потенциал, отнесенный к одной молекуле». Однако в термодинамике стороной обходят вопрос, относится ли рассматриваемый химический потенциал к частице (бозону), являющейся переносчиком тепла, что обуславливает понимание существующего затруднения. По всей вероятности, это частица, вакансия, обладающая энергией и имеющая счетное число в функции от температуры объеме тела, являющаяся неотделимой частью любого тела. Преодоление упомянутого затруднения позволяет увидеть ясную картину сущности поведения вакансий имеющей место в химических превращениях элементов, в физических явлениях, в окружающих средах и в технике.

Автор поставил перед собой задачу показать – что вакансии представляют:

• составную часть всех химических элементов;
• переносчиков взаимодействия между физическими объектами, и могут образовывать поля переносчиков взаимодействия;
• в твердом теле – дефекты структуры, возникающие как акт плавления при определенном уровне энергии активации вакансий;
• в жидкостях при определенных условиях как акт достижения точки вскипания отдельной молекулы;
• в газе как энергетический сгусток в пространстве молекулы.

И это все происходит при подводе (отводе) тепла к веществу независимо от их агрегатного состояния.

Также показать, что:

• вакансии, являясь переносчиками взаимодействия, в твердом теле взаимодействуют с электрическим потенциалом, проявляя себя на границе раздела сред, как излучение тепла, если их плотность (число вакансий на м²) больше, чем в окружающей среде или поглощая их из среды, если их плотность (число вакансий на м²) меньше, чем в окружающей среде, обуславливая охлаждение поверхности твердого тела, и, естественно, самого объёма тела;
• вакансии, образуя поля переносчиков взаимодействия в процессе излучения на границе раздела сред, обуславливают появление электромагнитных полей;
• то, что в теории сверхтекучести Ландау рассматривается как простейшие элементарные возбуждения, обуславливающие колебания ее плотности по сути своей это вакансии (фононы). Можно предположить, что при изменении температуры в веществе, уменьшается (увеличивается) плотность молекул, присоединяющих к себе вакансии;
• вакансии, являясь переносчиком энергии в форме тепла, представляют собой частицы, являющиеся составной частью молекул элементов. Естественно, что теплоемкость обусловлена количеством вакансий, входящих в молекулу (соотнесенных с нею), что наглядно можно продемонстрировать на примере таблицы Менделеева.

Теплоемкость приведена в дж/град.

1	2	3	4	5	6	7	8
H 14208 (-259)							He 5190 (-269)
Li 3768	Be 1976	Br 1106	C 710	N 1040	O 918	F 826	Ne 1030
Na 1224	Mg 1047	Al 945	Si 714	P 812	S 664-690	Cl 497	Ar 590
K 739	Ca 625	Sc 559	Ti 521	V 462	Cr 436	Mn 478	Fe 456	Co 406	Ni 450
Cu 384	Zn 380	Ca 360	Ge 322	As 329	Se 307	Br 473	Kr 248
Rb 345	Sr737	V n283	Zr 473	Vi 269	Mo 248	Te 345	Ru 237	Ph 234	Pd 238
Ag 237	Cd 225	I n238	Sn 219	Sb 206	Te 202	J 214	Xe150
Cs236	Ba 191	La –	Hf143	Ta 142	W 136	Re 137	Os 129	Jr 128	Pt 132
Au 130	Hg 139	Tl 129	Pb 127	Bi 142	Po 125	At 139	Pn 90

Теплоемкость элементов периодической системы Менделеева обратно пропорционально количеству протонов ядра и принадлежащим им электронов. [Л3] По мере увеличения числа протонов ядра теплоемкость уменьшается независимо от свойств элементов: газ, металлоид, метал. Если считать, что переносчиком тепла в твердом теле структурный дефект – вакансию, то в газе, жидкости и плазме она присутствует в той ипостаси.

Краткая справка о вакансиях: точечный дефект структуры – образование пустоты в результате фазового перехода, обусловленного температурой или другим внешним воздействием. Количество вакансий в структуре определяется формулой Больцмана Nв = N0 е-Еа/kТ, где Nв – число вакансий, N0 – число атомов в рассматриваемом объеме, скорость вакансий Vв=Vзв е-Еа/kТ, где Vзв скорость звука в материале. Время возникновения вакансий 1*10–12…-13 сек.

Действительно, если металлурги описывают вакансии как физический объект твердого тела, то физики описывают их же, но как виртуальный объект – фононы, при этом их же проявление в жидкости можно рассматривать как пар, состоящий из самой жидкости и присоединенных к ней вакансий, обуславливающих температуру вскипания. В случае газообразных сред вакансии, по всей вероятности, обуславливают температуру газовой среды.

Анализ энтропии показал, что переносчиком энтропии являются вакансии, которые на поверхности твердых тел при неравновесном состоянии по отношения к окружающей среде трансформируются в фотоны излучения, если их плотность больше по отношению к окружающей среде. Если, их плотность на поверхности твердого тела меньше отношению к окружающей среде то температура поверхности уменьшается, то вновь возникает неравновесное состояние. В газообразной среде количество вакансий присоединенных к молекулам, соответствующих определенной температуре обуславливает функцию состояния газообразной среды.

Эффект Джоуля – Томпсона

В рамках предлагаемой парадигмы, касающихся свойств вакансий, рассмотрим процессы, происходящие в эффекте Джоуля – Томпсона, то есть явление дросселирования газа. При проталкивании газа через пористую перегородку из области с высоким давлением, под воздействием поршня (вынуждающей силы) имеет место возникновение перепада температур до пористой перегородки и после неё. Воздух, который, сжимается под воздействием поршня в нормальных условиях, содержит в себе вакансии, равномерно распределенные по всему объёму и соответствующих температуре окружающей среды. При движении поршня под воздействием вынуждающей силы и, естественного уменьшения объёма плотность вакансий возрастает, при этом часть молекул, не содержащих вакансии, дренируются в первую очередь в объём за пористую перегородку ввиду отсутствия прилипших к ним вакансий, увеличивающих их объём и происходит снижение температуры по отношению к окружающей среде. В объёме V₁ растет плотность молекул, являющихся носителями прилипших к ним вакансий, и, естественно, температура. При диссипации энергии через стенки объёма V₁ дренируется часть n вакансий, обуславливая повышение температуры стенок объёма V₁. В объём V₂ через пористую перегородку проходят молекулы, имеющие меньший объём и меньшее число прилипших вакансий что, соответственно, обуславливает понижение температуры объёма V₂.

Часть тепла, (обусловленная, увеличением плотности вакансий) возникшая в объёме V₁ диссипирует в окружающую среду через стенки цилиндра и поршня. При одноразовом процессе в области V₂ через некоторое время поднимается до температуры окружающей среды (в соответствие с ограничением, обусловленной энтропией, плотность вакансий на границе раздела сред должна стать одинаковой.)

В термодинамике рассматривая появление свободной энергии при сжатии, например, атмосферного воздуха, а затем, рассматривая расширение сжатого воздуха, оперируют «отрицательной работой» чтобы объяснить явление охлаждения. Во всей технической литературе принятая математическая модель охлаждение в объёме V₂ в эффекте Джоуля – Томпсона рассматривает это явление как отрицательную работу. Принципиально нельзя говорить об отрицательной работе, это возможно только как математический прием, однако такой подход часто останавливает дальнейшие исследования, так как концы в математике сошлись.

Термомеханические явления в жидкости

Есть явление аномального термомеханического эффекта в сверхтекучем гелии, когда из верхнего сосуда сверхтекучий гелий перетекает через пористую перегородку в нижний сосуд [Л4]. При этом имеет место термомеханическое явление: в верхнем сосуде по мере вытекания гелия происходит увеличение температуры, а в нижнем снижение температуры. Затем температура в обоих сосудах выравнивается. Практически вновь встречаемся с эффектом Джоуля Томсона, только в жидкости, где как при сжатии газа имеет место сепарация молекул, объём которых меньше отсутствием налипших вакансий, так и в сверхтекучем гелии имеет место аналогичное явление.

Термоэлектрические эффекты в проводниках

Эффект Томпсона

В твердом теле, например, в проводниках при протекании тока по ним и наличии зоны температурного градиента, обусловленного каким-либо образом (внешний источник тепла, геометрическая неоднородность проводника) имеет место увод потоком электронов теплового пятна под воздействием приложенного потенциала. Это эффект Томпсона: сдвиг «объёма» тепла по проводнику при взаимодействии потока электронов с вакансиями, возникшими при нагревании проводника. Исходя из изложенного, можно утверждать, что если в проводнике создать аналог пористой перегородки, то можно вновь увидеть проявление эффекта Джоуля Томпсона в твердом теле. Действительно, и это имеет место, когда проводник состоит из разнородных металлов, при наличии спая между ними. Это явление носит название эффект Пельтье.

Эффект Пельтье

При прохождении тока по разнородным проводникам в зоне спая наблюдается охлаждение или нагрев. При прохождении тока по проводнику происходит разогрев проводника под воздействием потока электронов и, естественно, появление вакансий. В зоне спая, по все вероятности, имеет место нарушение структурной решетки обеих материалов, что может представлять аналог пористой решетки, судя по поведению вакансий, возникающих в каждом из металлов. При разности теплоемкости кристаллов разных материалов, и естественно, при разности размеров вакансий с их присущими энергиями (энергия активации вакансий) и их противотоку направленного движения электронов происходит сепарация вакансий. Более мелкие по объёму (размеру) вакансии проходя через спай и занимая место других по размеру (теплоемкости), и, естественно, по температуре, при приложении электрического потенциала создают пониженную температуру в зоне рассматриваемого спая. Большие по размеру вакансии и, естественно, по энергетике, взаимодействуя с приложенным потенциалом, скапливаются у второго спая, обуславливая повышение температуры.

Эффект Зеебека

При разогреве разнородных проводников в зоне спая на холодных концах проводников регистрируется электрический потенциал. Природа его возникновения обусловлена тем, что при нагревании зоны спая разнородных проводников (например: железо – медь), которая, в свою очередь, становится как бы пористой перегородкой, возникает ситуация, когда в зоне пористой перегородки возникает потенциал, обусловленный не скомпенсированными электронами.

В зоне спая на стороне материала, обладающего большей энергией активации (железа) число возникших вакансий равно числу n₁. На стороне материала обладающего меньшей энергией активации (медь) число вакансий равно n₂. При этом n₂ намного больше, чем n₁, так как при меньшей энергии активации при той же температуре число вакансий намного больше. На границе спая (пористой решетки) медь с одной стороны, а с другой стороны железо, при этой ситуации вакансии устремляются от горячего к холодному участку, где их гораздо меньше, при этом взаимодействуют с валентными электронами и переводя их в зону проводимости. В зоне «пористой перегородки» возникает электрический потенциал, обусловленный разностью не скомпенсированных электронов, принадлежащих разным материалам «пористой перегородки», которым является спай. При измерении потенциала вольтметром фиксируется как термо э.д.с. спая.

Электромагнитные явления в проводниках

При вращении металлической рамки в магнитном поле (между двух полюсов магнита) имеет место появление электрического потенциала на разомкнутых концах вращающейся рамки, при замыкании концов вращающейся рамки через токосъемники фиксируется протекание тока через замкнутый контур.

Что же обуславливает протекание тока? Действительно свободные электроны проводника находящиеся в зоне проводимости под воздействием силы Лорентца отклоняются от своего местоположения, а вакансии, являющиеся составной частью вещества проводника мгновенно взаимодействуют с магнитным полем постоянного магнита. Все вакансии мгновенно взаимодействия с магнитным полем обуславливают появление тепла (дополнительного числа вакансий), которое, в свою очередь, переводят часть валентных электронов в зону проводимости. При протекании тока по проводнику устанавливается тепловое равновесие в проводнике, при котором избыточные вакансии излучаются в пространство в виде электромагнитного излучения.

Таким образом, можно констатировать, что при вращении рамки в магнитном поле возникает генератор вакансий, вакансии которого образуют противоток движению электронов по проводнику, обуславливая направленное движение потока электронов в рамке, при вращении рамки, и, естественно, появление электромагнитного излучения вокруг проводника.

Термомеханические явления в газовой среде

В случае газообразной среды (например, воздуха в воздушном шаре) при изменении температуры также меняется количество вакансий, что проявляется как в жидкости. Вакансии, как частицы тепла, возникающие от газовой горелки, прилипают к ближайшим молекулам, локально меняя плотность, обуславливая подъём локального объёма газа вверх. Естественно, что в этом случае перенос частиц тепла возможен при наличии молекул газа, к которым прилипают вакансии.

Действительно, в воздушных шарах газовая горелка создает поток вакансий, соответствующий температуре пламени. К молекулам кислорода и азота добавляются вакансии, так как в процессе горения углеводородной смеси по мере нагрева выделяется поток вакансий, фиксируемый как пламя горелки (видимо, это плотность вакансий на кв.м.). Время жизни возникших вакансий и их присоединение к молекулам воздуха при их последующем дрейфе с молекулами (кислорода и азота) воздуха достаточно большое, и, естественно, молекулы поднимаясь вверх, поднимают температуру верхней части шара. Молекулы с учетом прилипшей вакансии (обладающей энергией и имеющей объём, соответственно, упругость) обладают большим объёмом и упругостью по отношению к внешней среде, обуславливая пониженную локальную плотность, позволяющую создавать подъёмную силу воздушного шара.

Пар является частным случаем газообразного состояния жидкости, (например, воды). Изменение внутренней энергии в жидкости в процессе теплообмена обуславливает появление тех же вакансий, проявление которых в процессе теплообмена фиксируется тем что, вакансии не имея массы в состоянии покоя, проявляют себя объёмом пара, меняя объём жидкости, имеющей температуру больше температуры испарения жидкости. Можно полагать, что пар это та же молекула, например, воды в другом состоянии, с прилипшей к ней вакансией, обуславливающая переход молекулы воды в другое агрегатное состояние. В дальнейшем возможно слияние вакансий между собой и появление вакансионных кластеров. Естественно, в зоне вакансионных кластеров, содержащих воду в форме пара локальная плотность молекул воды меньше, чем в воде, что обуславливает появление циркуляционных потоков и перемешивание воды, выравнивающее температуру в ней. Выход вакансионных кластеров на поверхность жидкости, в рассматриваемом случае, воды, проявляется испарением воды и схлопыванием вакансионного кластера и перемешиванием воды. По всей видимости, новое агрегатное состояние – пар представляет собой молекулу воды с прилипшей (присоединившейся) вакансией, обусловившей газообразное состояние, с новым удельным весом и, видимо, определенным электрическим потенциалом.

В приведенной таблице Менделеева (в разделе вместо предисловия) приведена теплоёмкость элементов, которая по мере роста номера элемента периодической таблицы убывает. По сути это предельная теплоёмкость элемента, определяемая числом вакансий, при которых вещество сохраняет то или иное агрегатное состояние. Один и тоже элемент периодической таблицы Менделеева в разных агрегатных состояниях имеет разную теплоемкость. По мере снижения температуры среды и, естественно, температуры того или иного вещества снижается количество энергии (вакансий) в веществе определяя структурные переходы в веществе (например при температуре Дебая) или переход из твердой фазы в жидкую фазу и т.д. …

Это относится к фазовым переходам и по отношению к самим веществам в процессе химических и физических реакций и биологических процессов. Например, образование воды из водорода и кислорода сопровождается мгновенным выделением тепла, то есть, имеем химическую реакцию, образование пара из воды это физическая реакция. Можно утверждать, что при любой химической, физической или биологической реакции имеет место изменение числа вакансий в химических элементах, материалах или в их компонентах.

Роль вакансий в магнетронах

Прежде, чем рассматривать, процессы, происходящие в магнетроне и обуславливающие возникновение излучаемого электромагнитного поля (ИЭМП), сделаем небольшой экскурс. Вокруг проводника с током возникает ИЭМП проявляющее себя как поле круговой магнитной напряженности и радиального поля электрической напряженности. При разряде молнии также возникает ИЭМП, и в обоих случаях имеет место излучение вакансий, как из проводника при протекании тока по нему, так и, где возникает энергетический сгусток вакансий уводимых из канала молнии. Вакансии, излучаясь как из твердого тела, так и плазмы молнии взаимодействуют с вакансиями окружающей среды и создают ИЭМП.

В случае магнетрона скользящий искровой разряд, в головке которого температура намного выше температуры плавления материала анода, взаимодействует со стенкой анода, обуславливая мгновенное появление вакансий (время возникновения вакансии – 10^-13 сек.). Стенки анода магнетрона являются источниками вакансий, излучение которых обуславливает охлаждение стенки магнетрона, а плотность их излучения в полость магнетрона обуславливает частоту ИЭМП, выводимую в волновод – излучатель.

Роль вакансий в явлениях фазовых переходов

По мере падения температуры атомы сближаются, сбиваясь в кучу, объединяются в жидкости, в твердые тела и молекулы, а если их подогреть, испаряются. [Л5]

Вероятно, что и у Р. Фейнмана возникает ощущение, что те физические модели, которые рассматриваются в официальной парадигме, не отражают в достаточной мере, фактический механизм, обуславливающий переход из одного агрегатного соединения в другое.

Рассмотрим, что же обуславливает переход молекул (атомов) из одного агрегатного состояния в другое, что же их соединяет или разъединяет?

Рассмотрим герметичную колбу наполненную газом. При ее охлаждении снаружи, по мере охлаждения вакансии, являясь частицами тепла (переносчики?), беспрепятственно, уходя из колбы, понижают температуру внутри её.

По мере уменьшения тепла (числа вакансий) в колбе, вакансии, прилипшие к молекулам газа также уходя из колбы, меняют удельный вес атомов газа, приходящегося на объем. В определенный момент, когда количество вакансий, прилипших к молекулам, становится меньше, чем число молекул или равно им, начинается конденсации молекул, так как их удельный вес становится максимальным, и они оседают на дне или стенках колбы. По мере дальнейшего снижения наружной температуры, и, естественно, внутренней, молекулы сближаются, образуя жидкий континуум, практически возникает жидкость, в которой вакансии одновременно выполняют роли смазки между молекулами и склеивающего вещества, будучи присоединены к ним.

По мере дальнейшего охлаждения, когда число вакансий становится на порядок меньше, чем число молекул, и начинается переход молекул в новое агрегатное состояние, обусловленное кристаллизацией и возникновением твердого вещества.

Количество вакансий, присущие тому или иному веществу, достаточно четко обуславливают реперные точки явлений фазовых переходов из твердого тела в жидкое, далее газообразное состояние по температуре.

Продолжение следует……

Литература:

• [Л1]. Химическая термодинамика. И.Пригожин, Р.Дефей, Москва, Бином Лаборатория знаний, 2010.
• [Л2]. Теоретическая физика, том V, Статистическая физика, часть 1, Москва, Физматлит, 2002.
• [Л3]. Основы химии, Д.Менделеев, 8 издание вновь исправленное и добавленное, С-Петербург, Типпо-литография М.П. Фроловой, Галерная улица № 6, 1906.
• [Л4]. Теоретическая физика, том VI, Гидродинмика, Москва, Физматлит, 2002.
• [Л5]. Феймановские лекции по физике Р.Фейман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Том 4, Кинетика, теплота звук, Издательство МИР, 1965.