băng-X

14

Những bông tuyết dưới kính lúp
dường như lớn hơn nhiều
họ thực sự là gì
và chờ đợi những bông hoa sang trọng
hoặc ngôi sao thứ mười.
Hãy xem nó đã được thực hiện tốt như thế nào! —
Kai nói. - Người tuyết tự hào
thú vị hơn hoa thật!
Và độ chính xác là bao!
Ôi, giá như
họ không hề trốn tránh!

G.-H. Andersen.
“Nữ hoàng tuyết”

15

Đối với mọi người, băng dường như luôn là biểu tượng của vẻ đẹp, độ chính xác và kích thước. Nhưng vẻ đẹp như súp, vẻ đẹp mang trong mình sự lạnh lùng, xấu xa và đôi khi là cái chết. Không có gì ngạc nhiên khi Dante tưởng tượng rằng băng phải ở ngay trung tâm Trái đất, ở bước cuối cùng dẫn đến Địa ngục, và kho báu của Satan được giấu trong một chiếc rương băng.

Không còn nghi ngờ gì nữa, việc người nghệ sĩ khám phá các hiện tượng tự nhiên và quy luật của thế giới trải qua nhận thức đầy cảm xúc của anh ta về thế giới xung quanh. Một nhà khoa học phải bình tĩnh, cả khi lựa chọn đối tượng nghiên cứu cũng như khi phân tích nhiều dữ liệu (và đôi khi trái ngược nhau).

Tại sao băng có thể thú vị từ quan điểm vật lý?

Công thức hóa học của nước đá là H₂O. Khi nguội đi, nước đóng băng, hay chính xác hơn là kết tinh. Hiện tại, mười ba (!) dạng cấu trúc khác nhau của băng đã được phát hiện. Ngay cả khi con số này bị một số người coi là không may mắn, nó vẫn đặt băng vào một vị trí đặc biệt - không một chất nào, chỉ đơn giản là về thành phần hóa học, có thể giống với những chuyển pha thông thường như vậy. Đây là lý do đầu tiên để xem xét kỹ hơn đối tượng này.

hình 1 hiển thị gần như toàn bộ sơ đồ pha của H₂O. Nó đã được nghiên cứu khá kỹ, mặc dù nó vẫn còn nhiều đốm trắng. Chỉ cần nói rằng Ice-X và Ice-XI chỉ được phát hiện cách đây vài năm. Loại băng mà tất cả chúng ta quen thuộc cũng được chỉ ra trong sơ đồ - đây là băng-I, hay chính xác hơn là băng-Iₙ. Ở áp suất thường và 0 °C, mật độ riêng của nó là 0,917×10³ kg m⁻³, nó nhẹ hơn nước, tức là trong quá trình kết tinh, mật độ của nước giảm.

Đặc tính hoàn toàn không được biết đến này của băng (xét cho cùng, quá trình kết tinh thường dẫn đến sự gia tăng mật độ) có tầm quan trọng to lớn đối với sự sống trên Trái đất. Lớp vỏ băng hình thành trên bề mặt nước tạo ra một cột cách nhiệt hiệu quả, do đó các hồ chứa hiếm khi đóng băng đến toàn bộ độ sâu của chúng. Tôi thậm chí không muốn nghĩ điều gì sẽ xảy ra với thế giới dưới nước nếu băng nặng hơn nước một chút!

Hình 1. Hình 2.

18

đề cử trên hình 3, b, dẫn đến vi phạm đoạn 3.

Nhưng người ta biết rằng băng không phải là chất điện môi lý tưởng mà có độ dẫn điện và độ dẫn proton hoàn toàn khác. Đọc, proton có thể di chuyển! Vậy quy tắc BFP có sai không? Câu trả lời đúng là: chúng hầu như luôn đúng, nhưng chính những ngoại lệ đối với những quy luật này mới là nguyên nhân gây ra các tính chất điện tuyệt vời của băng.

Vào cuối những năm 50, nhà vật lý Sa hoàng Jacquard đã đề xuất một cách rất hay để mô tả các tính chất điện này bằng sự chuyển động của các khuyết tật tự do phát sinh chính xác khi các quy tắc BFP bị vi phạm. Đây là một cơ chế dẫn điện rất khó hiểu, vì vậy chúng ta hãy xem xét nó chi tiết hơn.

Hãy “làm hỏng” mạng băng bằng cách vi phạm quy tắc thứ 2 của BFP: chúng ta loại bỏ một proton khỏi một nguyên tử oxy và thêm nó vào một nguyên tử oxy khác - như trong hình 3, b. Chúng ta sẽ nhận được cái gọi là khiếm khuyết ion (chúng được chỉ định là OH⁻ và H₃O⁺). Bây giờ chúng ta hãy làm hỏng mạng bằng cách vi phạm quy tắc 3, như thể hiện trong hình 3, f. Trong trường hợp này, các khiếm khuyết về định hướng sẽ phát sinh (còn gọi là khiếm khuyết L và D).

Các khuyết tật luôn tồn tại trong cấu trúc của băng, nhưng có rất ít khuyết tật - trong băng tinh khiết về mặt hóa học ở nhiệt độ -10 ° C, cứ 3 × 10¹¹ phân tử nước thì có khoảng 10⁵ khuyết tật định hướng và chỉ một vài khuyết tật ion.

Ở hình 4, nó cho thấy chuyển động của proton có thể xảy ra như thế nào. Hãy xem xét độ khuyết ion H₃O⁺. Proton 1 di chuyển đến vị trí được chỉ định bởi dấu thập. Trước đây, ion H₃O⁺-ion ở nguyên tử oxy I, nhưng bây giờ nó sẽ ở nguyên tử oxy II. Tiếp theo, proton 2 di chuyển đến vị trí cũng được đánh dấu bằng dấu thập - bây giờ là H₃O⁺ ở nguyên tử III, v.v. Chúng ta thấy rằng mỗi lần các proton khác nhau chuyển động, như thể truyền dùi cui cho nhau. Và kết quả là ion H₃O⁺ “tự di chuyển” hoàn toàn. hình 4, b hiển thị mạng băng sau khi ion H₃O⁺ di chuyển từ vị trí I sang vị trí X.

Để rõ ràng, chúng tôi lấy một lưới băng vuông phẳng giả định. Trong mạng này, mỗi nguyên tử oxy có các oxy lân cận tương đương rõ ràng, như trong mạng ba chiều, và do đó tất cả các kết luận thu được ở đây đều có giá trị đối với mạng băng thực sự. Cố gắng tự mình tìm ra cách di chuyển của các khuyết tật OH⁻-ion, L- và D.

Hóa ra ở một số chất khác cơ chế dẫn truyền cũng giống như vậy. Ngày nay, ngay cả những nghiên cứu rất cần thiết cũng đi theo nghiên cứu về cơ chế dẫn điện của băng, vì ở một số đối tượng sinh học, sự chuyển dịch rất giống với chuyển động của proton trong băng.

Lý thuyết của Jaccard đòi hỏi rất nhiều, nhưng mỗi năm số lượng các sự kiện thực nghiệm đòi hỏi phải đào sâu hơn nữa các ý tưởng hiện có ngày càng tăng. Những giả thuyết mới, và đôi khi rất thiếu học thức, xuất hiện. Theo một trong những giả thuyết táo bạo này, các hạt mang điện thực sự trong băng là các electron “gắn” làm khuyết các proton đang chuyển động. Cho dù điều này là như vậy, thời gian sẽ trả lời.

19

Các đặc tính khối lượng của băng là khá cần thiết và thậm chí đã tuyệt chủng, nhưng các đặc tính của bề mặt băng vẫn còn đáng ngạc nhiên.

Đánh thức bất kỳ người nào vào lúc nửa đêm và hỏi băng tan ở nhiệt độ nào? “Tất nhiên là ở 0°C.” Nhưng câu hỏi “bề mặt băng bắt đầu tan ở nhiệt độ nào?” không thể được trả lời một cách rõ ràng ngay cả bởi các chuyên gia về vật lý băng.

Từ quan điểm khoa học cơ bản, các nghiên cứu về bề mặt băng là vô cùng thú vị. Nhưng những nghiên cứu này đều có tầm quan trọng thực tế như nhau, nếu không muốn nói là lớn hơn. Chuyển động của tàu phá băng, tàu thuyền và máy bay chống đóng băng, hoạt động xây dựng ở các vùng cực và vùng cực, sự chuyển động của sông băng - trong tất cả các trường hợp này, điều quan trọng là phải biết điều gì xảy ra trên bề mặt băng, tức là tại bề mặt tiếp xúc giữa băng - kim loại, nhựa, các nhóm khác nhau, v.v. Cần phải biết cơ chế bám dính của băng với các vật liệu cấu trúc khác nhau, tính chất và cường độ ma sát cũng như các đặc điểm tương tự. Và những vật liệu có hệ số ma sát tối thiểu đối với các thiết bị thể thao khác nhau cần thiết biết bao!

Nhân tiện, tại sao nhiều vật liệu lại trượt tốt trên băng như vậy?

Câu hỏi này có vẻ đơn giản đối với nhiều người. Suy cho cùng, trượt tốt là khi có một lớp nước giữa cơ thể và mặt băng. Và khi một cơ thể ấn mạnh vào băng, nó sẽ tan chảy - dưới áp suất, sự tan chảy bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn.

Hãy tìm ra nó. Như sau trong sơ đồ vật lý, nhiệt độ tan chảy của băng tăng thêm 1 độ khi áp suất tăng thêm Δp=10⁷ Pa. Đặt khối lượng của sườn núi là M=60 kg, và tiết diện của sườn núi S=3·200 mm²=6·10⁻⁴ m2; thì áp suất bổ sung sẽ là Δp=Mg/S=10⁶ Pa. Điều này có nghĩa là dưới sườn núi, điểm nóng chảy chỉ là… 0,1 °C. Nhưng trượt tuyết ở -10°C thì sao? Vâng, lời giải thích cho việc trượt tốt rõ ràng là một điều gì đó khác.

Người ta tin rằng ở phạm vi nhiệt độ cực cao, có một lớp gần như id mỏng trên bề mặt băng kết tinh (“gần như” có nghĩa là “gần như” hoặc “như thể”). Không chắc lớp màng mỏng này là một chất lỏng thông thường. Tuy nhiên, nhiều đặc tính của nó rất gần với đặc tính của nước. Trong một số thí nghiệm, sự tồn tại của lớp gần như id có thể được theo dõi ngay cả ở -30 °C, tức là 30 độ trước khi tan chảy!

Có lẽ sự hiện diện của lớp tựa id gây ra hệ số ma sát nhỏ? Một đề xuất như vậy có thể giải thích rất nhiều điều, nhưng thật không may, bản chất thực sự phức tạp hơn nhiều và vẫn chưa được hiểu rõ.

Nhân tiện, cuộc tranh luận giữa các khái niệm “lớp gần như id” và “sự tan chảy do áp suất” đã diễn ra trong hơn một thế kỷ. Nguồn gốc của cuộc tranh chấp này là các nhà vật lý thay thế - Faraday và anh em nhà Thomson (một trong số họ được mọi người biết đến với cái tên Lord Kelvin). Vâng, vâng, những nhà khoa học nổi tiếng thế giới này cũng nghiên cứu về băng.

Tôi không nghi ngờ gì rằng tất cả các bạn đều chơi bóng tuyết. Nhưng bạn có bao giờ thắc mắc tại sao việc tách một quả cầu tuyết lại dễ dàng đến vậy không? Tuyết không phải là bột, không phải là đĩa mà là những tinh thể băng nhỏ (!) Rốt cuộc, bạn không thể tạo ra một “quả cầu tuyết” từ các mảnh kim loại, nhưng bạn có thể tạo ra một quả cầu tuyết từ băng. Bạn không nghĩ vậy à?

Nhưng Michael Faraday, hơn một trăm năm trước, dường như đã bắt đầu suy nghĩ. Năm 1850, ông thu hút sự chú ý đến một thực tế sau: các mảnh băng sẽ đóng băng nếu chúng tiếp xúc với nhau ở nhiệt độ khoảng 0 ° C. Tại sao? Để giải thích sự thật này Faraday đã đề xuất

20

RẰNG CÓ LỚP ĐẶC BIỆT - CỬA LỎNG - TRÊN BỀ MẶT LBDA.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét hình 5, và tôi nghĩ bạn sẽ hiểu ngay tại sao sự hiện diện của một lớp gần như chất lỏng lại dẫn đến sự đóng băng của hai mảnh băng.

Chính nhờ sự hiện diện của một lớp gần như chất lỏng mà tôi cố gắng giải thích độ dẻo rất cao của băng và sự chuyển động của sông băng.

Quyền lực của Faraday rất lớn nhưng ông lại gặp phải đối thủ - James Thomson (anh trai của Lãnh chúa Kelvin). Ông đã thu hút sự chú ý đến phần được biết đến lúc bấy giờ của sơ đồ pha của băng và đã chứng minh về mặt lý thuyết rằng băng sẽ tan chảy khi nó trượt xuống. Điều này có nghĩa là nếu bạn bóp hai viên đá, chúng sẽ hợp nhất lại (xem hình 6).

Faraday đã tiến hành một loạt thí nghiệm bác bỏ quan điểm

Khi Georg thay cột thu lôi của mình, một cột thu lôi đã xuất hiện trên ngọn tháp của Pháo đài Peter và Paul ở St. Petersburg (có lẽ là cột thu lôi đầu tiên ở nước ta).

Cần lưu ý rằng trên thực tế hình dạng của cột thu lôi thường không quan trọng. Nhưng nếu đỉnh của cột thu lôi ở một khoảng cách rất xa so với mặt đất đến mức có thể so sánh với chiều cao của một đám mây giông (ví dụ, trong trường hợp cột thu lôi trên các tòa nhà chọc trời cao nhất), thì có thể quan sát thấy một luồng phóng điện yên tĩnh từ đầu cột thu lôi không biến thành tia sét, như Franklin đã giả định khi ông ủng hộ một cột thu lôi “yên tĩnh” có đầu nhọn. Franklin đã viết với độ chính xác đáng kinh ngạc vào năm 1767: “Một cây gậy được mài sắc sẽ ngăn chặn tia sét đánh vào đám mây hoặc khi đánh vào sẽ dẫn nó xuống đất mà không gây hư hại cho tòa nhà”.

(Cuối cùng, xem trang 33)