Свет, поглощаясь в веществе, передает ему свою энергию в виде тепла. Но оказывает ли световой поток механическое воздействие на тела, которые он освещает?
Великий астроном Иоганн Кеплер еще в 1604 г. объяснил форму хвоста кометы влиянием светового давления. Но доказать это удалось лишь 250 лет спустя английскому физику Максвеллу. Он вычислил величину светового давления, исходя из своей теории электромагнитного поля.
Если на единицу площади тела за одну секунду падает и полностью поглощается им световая энергия Е, то световое давление q равно E/c. Когда же свет полностью отражается, то 2Е
q=2E/c.
Представим себе свет, падающий на какую-то отражающую поверхность, как поток частиц —фотонов. Фотоны ведут себя как обычные мячики: они отскакивают от этой поверхности. Говоря языком теоретической механики, вектор количества движения р фотона меняет свое направление на противоположное. Полное изменение р этого вектора равно 2 р. Величина Ар равна давлению q на поверхность, если на единицу площади этой поверхности каждую секунду падает один фотон.
Сравним полученный результат с формулой
Максвелла. По этой формуле q=2Eф/c=2р,
если на поверхность падает в секунду один фотон с энергией Еф. Из предыдущей формулы следует: Еф=рс, где р — количество движения фотона. Нo количество движения частицы равно ее массе, умноженной на скорость, а скорость фотона — это скорость света с. Значит, энергия фотона Еф=mфс2. Если этот вывод обобщить на любую частицу массы то, то
Е=mc2!
По формуле Максвелла можно подсчитать, что в полдень лучи Солнца действуют на 1 м2 земной поверхности с силой около 0,00039 н. Но физики долгое время не могли измерить световое давление практически.
Исследование веществ при высоких давлениях — увлекательная область науки. Давление
вызывает в веществах удивительные изменения. Многие вещества, проявляющие себя в нормальных условиях как изоляторы, при высоком давлении превращаются в полупроводники, а полупроводники могут приобрести свойства металлов. Теоретические расчеты показывают, что под давлением в 2 млн. атм твердый водород перейдет в металлическое состояние.
После того как давление снято, вещество обычно возвращается к своей первоначальной структуре. Но иногда оно остается в новом состоянии. Мы подробно рассказали о том, как переходит графит в алмаз, а нитрид бора в боразон. При давлении в 160 тыс. атм и температуре 1200—1400°Ц в новую модификацию переходит и кварц — он становится вдвое плотнее обычного.
Кварц такой структуры в естественном состоянии на Земле не существует. Но частицы именно такого кварца найдены в крупнейшем метеоритном кратере в штате Аризона (США). Следовательно, в лаборатории сумели изготовить космический минерал! Этот минерал назван стиповеритом по имени синтезировавших его ученых Стишова, Поповой и Верещагина.
Исследования при высоких давлениях ценны не только для науки, у них большое практическое значение. Синтетические алмаз и боразон — превосходные материалы для режущих и шлифовальных инструментов. Искусственный кварц применяется в радиотехнике.
Превращения и новые качества, которые проявляются в веществах под действием высокого давления, изучены сравнительно слабо.
Мы стоим у порога давлений в миллионы атмосфер. Восхождение к вершинам давления продолжается и сулит науке и технике много новых открытий.
Давление изменяет свойства конструкционных материалов. Сталь, подвергнутая давлению в 25 тыс. атм, становится прочнее и более вязкой; хрупкий мрамор становится пластичным: его можно растягивать, как медь, и сжимать.
Прочность различных веществ, с которой мы имеем дело в жизни, значительно меньше той, которая должна быть, если ее рассчитать, исходя из величины межатомных сил, действующих в кристаллической решетке. Такое несоответствие объясняют тем, что в решетке обычно нарушен порядок. Представьте себе кирпичную кладку с шахматным порядком. Если некоторые из кирпичей пропущены или спутаны ряды, то кладка менее прочна, чем правильная.
Предполагают, что если металл кристаллизовать из расплава под высоким давлением, то можно получить правильную кристаллическую решетку, без дефектов, и тогда прочность металла будет значительно выше. Более прочный металл даст возможность построить аппараты, которые выдержат еще большее давление.
Увеличение давления до нескольких атмосфер сильно действует на организм человека. А вот глубоководные рыбы живут под давлением в сотни атмосфер и, наоборот, гибнут, когда их вытягивают на поверхность воды. Некоторые виды бактерий преспокойно выдерживают давления в тысячи атмосфер, но гибнут при давлении в 7 тыс. атм: вода в их клетках превращается в одну из полиморфных модификаций льда и разрывает их. Это явление навело на мысль о возможности консервировать продукты, подвергая их высокому давлению. Опыты показали, что, действительно, молоко, подвергнутое высокому давлению, долго не скисает, так как в нем уже нет живых бактерий молочнокислого брожения. Давление убивает также ряд болезнетворных бактерий и вирусов.
Огромную роль играет давление в химии. Известно, что для производства пороха нужна селитра: калиевая, натриевая или аммонийная соли азотной кислоты. До первой мировой войны основным поставщиком селитры была страна Чили, обладавшая огромными залежами калиевой селитры. Вскоре после начала войны Германия оказалась в катастрофическом положении: морская блокада сделала доставку селитры из Чили невозможной. И тогда немецкие химики разработали метод, позволявший синтезировать аммиак из азота и водорода. Из аммиака получали азотную кислоту и аммиачную селитру. Германия стала производить собственную селитру.
Такой процесс синтеза аммиака был производительным и удобным только потому, что его вели под давлением в несколько сот атмосфер. Давление оказалось необходимым, потому что оно значительно ускоряет химические реакции. Прежде всего оно увеличивает концентрацию компонентов, т. е. их содержание в единице объема. Кроме того, реакция синтеза аммиака
3Н2+N22NH3
идет с уменьшением объема: из трех объемов водорода и одного объема азота получаются два объема аммиака. При увеличении давления система (азот + водород + аммиак) словно сопротивляется этому и, чтобы снизить давление, дает аммиак.
Сейчас во всем мире заводы синтетического аммиака вырабатывают десятки миллионов тонн аммиачной селитры — одного из самых распространенных минеральных удобрений.
Так называемые колонны синтеза, т. е. сосуды, в которых синтез аммиака осуществляется на катализаторе,— это гигантские стальные трубы диаметром до 1,5 м и высотой в 10—15 м. Толщина стенок у этих труб достигает 20 см. За час они перерабатывают десятки кубометров азотоводородной смеси. Мощные компрессоры подают эту смесь под давлением 300 атм. В колоннах синтеза под таким давлением и при температуре 400—500° Ц азотоводородная смесь, соприкасаясь с катализатором, превращается в аммиак.
В наше время много химических продуктов получают в промышленности с помощью высокого давления, например метиловый спирт, уксусную кислоту. На производство этилового спирта еще недавно расходовали сотни тысяч тонн зерна и картофеля. Теперь спирт получают под давлением из воды и этилена — газа, выделяющегося в большом количестве при добыче и переработке нефти. Тот же этилен при давлении в 1500—3000 атм полимеризуется в полиэтилен — пластическую массу, обладающую рядом ценных качеств (см. ст. «Полимеры»). Под давлением производят и синтетические волокна. Можно насчитать еще около 100 технологических процессов, которые стали возможными благодаря применению давления.
Одно и то же вещество может принимать различные, так называемые аллотропические формы: кислород и озон, графит и алмаз. У химических соединений такие аллотропические формы называются полиморфными модификациями. При изменении окружающих условий — температуры, давления,— когда это изменение достигло определенной стадии, вещество из одной аллотропической формы переходит в другую и приобретает другие химические или физические свойства. Эта точка так и называется точкой перехода. Различные аллотропические формы бывают не только у веществ, состоящих из одного химического элемента, но и у многих химических соединений (полиморфные формы).
В наше время считают, что при давлениях до 50 тыс. атм у каждого химического соединения возможен по крайней мере один полиморфный переход. Опыты показывают, что у многих веществ их гораздо больше. Известно, что у камфары их одиннадцать, у воды — семь, у висмута — восемь и т. д. Остановимся на воде. При 0° Ц вода замерзает. Если лед сжимать, то при 30 тыс. атм образуется форма льда-VII, который плавится при +190° Ц. Значит, на таком куске льда можно было бы жарить пищу, если бы лед-VII сохранял свои свойства и при снижении давления. Лед-VII обладает необычайной твердостью и может поэтому стать причиной катастрофы. В подшипниках, в которых вращаются валы мощных турбин, развивается огромное давление. Если в смазке есть хоть немного воды, она замерзает. Образовавшийся лед, как песок, трет вал и подшипник и быстро выводит их из строя.
Это прежде всего зависит от прочности материала, из которого он сделан. Разумеется, для изготовления аппаратов высокого давления применяют наилучшие и самые прочные материалы — легированные стали и сплавы. Но если в цилиндр, сделанный из лучших сортов стали, накачивать газ, то при любой толщине стенок этот цилиндр не выдержит давление больше чем 20 тыс. атм— он разорвется. Как же увеличить его прочность? Как построить аппараты, способные выдержать сотни тысяч и даже миллионы атмосфер, при которых в веществе происходят такие удивительные превращения? Вот, например, один из способов решения этой задачи. Сосуд, в котором нужно создать высокое давление, можно вставить в такой же сосуд больших размеров, этот — в еще больших и так далее, и устроить стальное подобие игрушки «матрешки». В пространствах между сосудами нужно создать давления, отличающиеся друг от друга на 10— 20 тыс. атм. При достаточно большом количестве таких, вставленных друг в друга сосудов давление во внутреннем сосуде теоретически может быть доведено до любой величины (рис. 1). Но изготовить такой аппарат неимоверно трудно.Была предложена и другая конструкция. Сосуду, предназначенному для создания высокого давления, придают коническую форму и вставляют его в стальное кольцо с коническим отверстием. Если вдавливать этот сосуд в кольцо, которое называют оправкой, то он действует как клин — стремится расширить кольцо, но сам сдавливается. На поверхности этого конического сосуда возникает давление, которое будет стремиться сжать сосуд. Такой сжатый, или, как его называют, поддержанный, конусный сосуд может выдержать гораздо большее давление. Этот прием можно повторить: сделать оправку тоже конической и вставить ее во вторую оправку.
Вернемся в наши привычные земные условия. Здесь мы очень часто встречаемся со сравнительно высоким давлением и используем его. Под давлением находится в баллоне двуокись углерода, о которой мы уже говорили. Давление газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания толкает поршень и двигает автомобили, самолеты, теплоходы. В стволе орудия давление пороховых газов доходит до нескольких тысяч атмосфер и выталкивает снаряд. Давление газа в недрах Земли заставляет нефть бить фонтаном из скважины. Давление пара достигает десятков и сотен атмосфер, оно движет поршни паровой машины, лопасти турбины. Давление используют в гидромониторах — водяных пушках, которые струей воды режут и размывают грунт...
Мы показали, что происходит при сжатии вещества в простом ящике. В действительности же давление создается в сложных аппаратах. Газы сжимают компрессорами. Они засасывают газ из газгольдеров (газосборников) и сжимают его последовательно в нескольких цилиндрах-ступенях до давлений в сотни и тысячи атмосфер. Это очень сложные, мощные и точные машины; поршни в них так хорошо пригнаны к цилиндрам, что молекулы газа никак не могут прорваться в зазор. Сейчас уже существуют машины, способные сжать газ до 10 тыс. атм. При обычной температуре и давлении между 10—20 тыс. атм многие газы затвердевают. Такое же превращение, но при меньшем давлении происходит и с жидкостями. А вот твердые тела можно сжимать сколько угодно, только бы выдержал сосуд, в котором это вещество находится.
А вообще каков предел величины давления? Нижний предел — это абсолютный вакуум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление равно нулю. А верхний предел?
Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое давление. Начнем нагнетать в него газ. Пусть это будет, скажем, двуокись углерода — обычная углекислота, которой газируют воду. По мере того как мы будем накачивать углекислоту, число ее молекул в ящике начнет расти. Плотность газа и давление тоже возрастут. Молекулам в ящике станет теснее. При некоторой плотности газ начнет превращаться в жидкость. Если продолжать накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние между ними будет сокращаться. Силы взаимодействия между молекулами также увеличатся. Молекулам станет все труднее двигаться в ящике. Возрастет вязкость двуокиси углерода, и при давлении
в несколько тысяч атмосфер она затвердеет. Продолжим сжатие. Предположим, что одна стенка ящика подвижная, и, перемещая ее как поршень, мы сжимаем твердую двуокись углерода. При давлениях в десятки тысяч атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это станет мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся искажения электронных оболочек.
Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних электронных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до сотен тысяч атмосфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойства элементов настолько изменятся, что может даже образоваться новая периодическая система элементов.
При давлениях в миллионы и более атмосфер может оказаться, что электронам выгоднее вращаться не вокруг отдельных ядер, а в виде «электронного газа» вокруг всех ядер: вещества переходят в металлическое состояние. Именно из такого вещества состоят белые карлики — звезды, внутри которых давление достигает 1016 атм (десять квадрильонов атмосфер!), а плотность такова, что 1 см3 вещества обладает массой в несколько тонн.
Почему кончик иголки должен быть острым? Почему человек проваливается в рыхлый снег, а на лыжах стоит на нем прочно? Почему у вездехода широкие шины? Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, нужно вспомнить, что такое давление.
Давление — это сила, приложенная к единице площади. Поэтому вес человека, распределенный на площадь его подошв, — это давление. Сила, с которой нажимает наперсток, приложенная к площади кончика иглы, — это давление.
Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, или 10-3 см (а это
еще тупая игла). Тогда площадь кончика равна ((3,14/4)X10-6) см2. Если наперсток нажимает на
иглу с силой в 1 г, то давление под кончиком будет 1275 кг/см2, или 1275 атм*. Жало ко-
* В системе единиц СИ давление измеряют ньютонами на квадратный метр (н/м2). Но так как эта единица очень мала, то в технике пользуются другой единицей, которая называется баром. 1 бар = 105 н/м2.
Бар очень близок к старым единицам давления: к технической атмосфере (0,9806 бар) и к физической атмосфере, т. е. к атмосферному давлению на уровне моря (1,013 бар).
В технике высоких давлений пока еще пользуются старой единицей измерения — технической атмосферой, которую обозначают атм. Поэтому и мы в статье будем указывать давление в технических атмосферах.