экстремальное состояние вещества

ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА -состояние с аномально высокой концентрацией энергии, возникающее под воздействием высоких давлений и (или) температур. Физика Э. с. в. (физика высоких плотностей энергии) охватывает физику давлений высоких и физику плазмы, составляя важную часть физ. фундамента геофизики и планетологии, астрофизики и космологии, нек-рых прикладных проблем (использование атомной энергии, плазменные установки и технологии, синтез новых материалов и искусств, получение алмаза, рубина и т. п.).
В физике Э. с. в. принимается наиб, широкое толкование понятия вещества как субстанции, играющей роль "строительного материала" физ. тела: протяжённая (и потому не чувствительная к форме и размерам) система частиц и полей, составляющих основу внутр. структуры тела. Такое определение охватывает наряду с обычным, состоящим из электронов и атомных ядер веществом электронно-дырочную жидкость в полупроводниках, адронные системы (нейтронное вещество, пионный конденсат, кварк-глюонная плазма ),системы фотонов (излучение) и элек-трон-позитронных пар и др. С нек-рыми оговорками сюда же относится "материал" микроскопич. систем типа тяжёлого ядра (ядерная материя)или сгустка вторичных частиц, порождённых соударением частиц высоких энергий. Особым типом вещества нужно считать вакуум (вакуумное состояние) - сложную систему виртуальных частиц.
Под состоянием в физике Э. с. в. понимают совокупность характеристик внутр. структуры и свойств вещества: тип его "элементарных" (неизменных в данном диапазоне внеш. условий) структурных единиц - электронов и ядер, адронов, кварков и глюонов и т. д.; тип агрегатного состояния вещества - твёрдого, жидкого, газообразного и др.; характер электронной подсистемы, напр, тип проводимости - проводник, полупроводник, диэлектрик; характер ядерной подсистемы - тип кристаллич. решётки, тип ядерной реакции (термо-, пикноядерная) и т. п.

Термин "экстремальный" отвечает значениям давления r и (или) темп-ры T, заметно превосходящим естеств. масштабы р₀, T₀, к-рые определяются плотностью энергии и соответственно энергией, приходящейся на одну частицу, в холодном несжатом веществе. Для электрон-ядерного вещества, адронного вещества и вакуума порядок величины р₀ составляет соответственно бар
И и . Для вещества с аномально низкой плотностью энергии (полупроводник с узкой запрещённой зоной и большими значениями эфф. массы носителей и диэлектрической проницаемости, слабо связанное вещество, состоящее из атомов элементов нулевой группы - Не, Ar и т. д.) значения р₀ и T₀ могут оказаться значительно ниже приведённых.

Общие тенденции изменения состояния вещества с увеличением p и (или) T. Рост плотности энергии в веществе приводит в конечном счёте к перестройке его внутр. структуры. Характеристики вещества, описывающие его состояние, претерпевают не только количеств., но и качеств, изменения, к-рые происходят либо относительно плавно, либо скачком (фазовые переходы). Соответственно фазовая диаграмма (р-T-диаграмма) разбивается на ряд областей, каждой из к-рых отвечает одно из Э. с. в. С ростом r соответствующая перестройка ведёт к появлению всё более компактных структур, с ростом темп-ры-к разрушению имевшегося в веществе порядка в широком смысле этого термина. Общая тенденция заключается в дезинтеграции входящих в состав вещества связанных комплексов (молекул, атомов, ионов, ядер, нуклонов). Происходит разрушение оболочечной структуры атомов, вследствие чего сглаживаются индивидуальные особенности вещества данного хим. состава. Проявления этой тенденции прерываются, когда r и (или) T достигают критич. значений, при к-рых в игру вступают более глубокие уровни иерархии строения вещества (напр., достижение порога ядерных превращений, когда начинает проявляться оболочечная структура ядра).

Э. с. в. электрон-ядерного типа. В общем случае с ростом давления электрон-ядерное вещество сначала претерпевает кристаллизацию, далее испытывает серию структурных фазовых переходов, в результате к-рых его кристаллич. решётка, становясь всё более плотно упакованной, приобретает в конце концов универсальную объёмноцентриров. кубич. структуру (см. Браве решётки). Одноврем. происходит уменьшение атомного объёма вещества и сглаживание его "пилообразной" зависимости от ат. номера элемента-сближение значений объёма атома элемента нулевой группы и следующего по ат. номеру атома щелочного металла. Происходит и ряд др. перестроек электронных оболочек: исчезают аномалии в заполнении уровней (напр., для атомов переходных металлов); становятся свободными электроны внеш. оболочек, определяющие хим. индивидуальность атома, и, т. о., в конечном счёте все вещества становятся металлами; наконец, освобождаются и остальные электроны. Все вещества при этом превращаются в идеальный металл - практически свободный электронный газ+составленная из "голых" ядер кристаллич. решётка.

При ещё больших давлениях в веществе начинают происходить ядерные процессы. При определ. условиях им может предшествовать процесс "холодного" плавления - разрушение решётки под воздействием не тепловых (как в случае обычного плавления), а нулевых, квантовомеха-нич. колебаний ядер в узлах решётки (см. Нулевые колебания ).Ядерные процессы в сильно сжатом веществе проходят следующие стадии: захват электронов ядрами с превращением протонов в нейтроны (см. Нейтронизация вещества; )образование сильно нейтронно-избыточных ядер, не способных удерживать нейтроны, и возникновение самостоят, нейтронной компоненты вещества; наконец, образование нейтронного вещества (нейтронной жидкости) с малой примесью протонов и электронов (см., напр.. Нейтронные звёзды). Ядерные реакции синтеза в сильно сжатом веществе протекают в пикноядерном режиме (см. Пикноядерные реакции ),когда кулоновский барьер "съедается" благодаря малому расстоянию между реагентами.

С повышением темп-ры электрон-ядерное вещество претерпевает фазовые переходы плавления и кипения или возгонки, после чего начинается процесс ионизации атомов с превращением вещества в частично ионизованную плотную плазму, к-рая испытывает по мере увеличения T свойственные такому состоянию фазовые превращения. В конечном счёте возникает идеальная, полностью ионизованная плазма, состоящая из "голых" ядер и электронов. При ещё больших T начинают идти ядерные реакции синтеза, протекающие в термоядерном режиме (кулоновский барьер преодолевается благодаря большой кинетич. энергии реагентов, см. Термоядерные реакции).

Э. с. в. адронного и вакуумного типа. С ростом давления адронное (ядерное, нейтронное) вещество уплотняется и при плотности, несколько превышающей плотность атомного ядра (~3 · 10¹⁴ г/см³), теряет устойчивость относительно образования пионного конденсата-когерентной волны пионов (длина волны порядка 10^-13 см), к-рые в результате становятся самостоят, компонентой вещества. При больших сжатиях в адронном веществе могут появиться также макроскопич. кол-ва мюонов, гиперонов, резонансов, причём все эти частицы будут абсолютно стабильными. Их распаду препятствует Паули принцип: уровни энергии для продуктов распада уже заполнены частицами, имеющимися в адронном веществе. При нек-рых давлениях возможна кристаллизация адронного вещества, происходящая за счёт не кулоновских сил (как для обычного кристалла), а сильного взаимодействия адронов. При ещё больших сжатиях адроны "рассыпаются" на составляющие их кварки и антикварки и вещество испытывает фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Из-за присущего сильному взаимодействию свойства асимптотической свободы предельное состояние адронного вещества - кварк-глюонный идеальный газ. К кварк-глюонному конечному состоянию ведёт и воздействие на адронное вещество высокой темп-ры.

С ростом T вакуум (состояние с нулевыми значениями квантовых чисел, отвечающих зарядам, ароматам и т. п.) заполняется излучением и парами "частица - античастица" с массами, не превышающими величины T. Особые фазовые переходы связаны с имеющимися в вакууме конденсатами частиц Хиггса (см. Хиггса механизм ),ведущими к появлению у частиц отличной от нуля массы и тем самым к "расщеплению" эл--магн., слабых и сильных взаимодействий (см. Вакуумный конденсат ).При первом фазовом переходе исчезает один из конденсатов, пропадает различие между слабым и эл--магн. взаимодействиями и возникает, в частности, дальнодействие слабого взаимодействия (оно проявляется в том, что нейтрино столь же сильно тормозится в веществе, как и электрон). При втором фазовом переходе, происходящем при существенно больших темп-pax, исчезает и второй конденсат, в результате чего восстанавливается симметрия всех трёх типов взаимодействия, включая сильное. Теоретич. результат воздействия на вакуум высокого давления качественно зависит от физ. условий и принятой модели квантовой теории поля.

Э. с. в. в естественных условиях. Возникновение экстремальных условий в окружающем нас мире прямо или косвенно связано с тяготением, к-рое характеризуется сочетанием дальнодействия, отсутствия зарядов (масс) двух знаков и притяжением одноимённых зарядов. Особенности тяготения способствуют образованию массивных тел и суммированию ничтожно малых сил притяжения элементарных частиц с превращением их в космич. масштабах в мощный определяющий фактор. Эти силы порождают высокие давления внутри небесных тел и служат косвенным источником высоких темп-р. T. о., создаются условия для "зажигания" экзотермич. ядерных реакций в звёздах. На рис. и в табл. приведены параметры экстремального состояния для характерных космич. объектов.

Создание экстремальных состояний в лабораторных условиях. Ниже описаны методы искусственного создания Э. с. в. в лабораториях и на полигонах с указанием значений характеристик соответствующих внеш. условий.
Высокие давления. Статич. методы основаны на использовании спец. механич. устройств, осуществляющих сжатие исследуемого образца (винтовые и гидравлич. прессы). Рекордные статич. давления высокие получают с помощью миниатюрных устройств - алмазных наковален. В сочетании с лазерным нагревом эти методы позволяют получать давления до 4-5 M бар и темп-ру до 0,3 эВ, что соизмеримо с условиями в центре Земли.

Экстремальные значения давления и температуры в естественных и лабораторных условиях; римскими цифрами обозначены характерные космические объекты в соответствии с таблицей. Заштрихованные участки - области искусственно полученных различными методами экстремальных состояний вещества: А - статические высокие давления; Б-динамические высокие давления (ударные волны от обычных и ядерных взрывов); В-лазерное обжатие мишеней.

Существенно более высокие давления могут быть получены с помощью динамич. методов. Сверхвысокие давления образуются в ударной волне обычного или ядерного взрыва, при соударении образца с разгоняемым до космич. скоростей ударником, при облучении образца мощными лазерными импульсами, сильноточными потоками электронов, ионов и т. п. Последний метод позволяет получать давления до 10⁵ Мбар. При динамич. сжатии образца одновременно происходит и его разогрев.

Высокие температуры. Наряду с традиц. методами получения высоких темп-р (мощный газовый разряд, резонансный СВЧ-нагрев, термализация предварительно ускоренного сгустка частиц, ударные волны взрыва) развиваются пучковые методы - обжатие и разогрев образца сходящимися пучками лазерного излучения, электронов, ионов и т. п. (см. Плазменно-пучковый разряд, Лазерный термоядерный синтез). Рекордные значения темп-р, достигнутые такими методами, составляют ~ 10 кэВ. Макс. динамич. давления и темп-ры, полученные лаб. методами, приближаются к параметрам в центр, части Солнца.

Экстремальные условия для адронного вещества возникают при соударении ускоренных (до энергий от нескольких до сотен ГэВ/нуклон) ионов с ядрами. Этот процесс сопровождается появлением ударных волн в адронном веществе и др. макроскопич. эффектами.

Магнитное поле как источник Э. с. в. К числу факторов, приводящих к Э. с. в., иногда относят и сильные и сверхсильные магнитные поля, под воздействием к-рых возникают в веществе магнитные фазовые переходы, магнитомеха-нич. явления, магнитокалорич. эффекты и др. В естеств. условиях сильные и сверхсильные магн. поля встречаются у магн. звёзд (до 10⁴ Гс), белых карликов (10⁷-10⁸ Гс), пульсаров (до 10¹³ Гс) (см. Магнитные поля звёзд). Значения напряжённости искусственно получаемых магн. полей достигают сотен кГс-1 МГс (соленоиды - обычные и импульсные). Рекордная величина магн. поля (ок. 20 МГс) получена с помощью взрывомагн. генератора (взрывное обжатие предварительно намагниченного линейного образца).

Лит.: Киржниц Д. А., Экстремальные состояния вещества, "УФН", 1971, т. 104, с. 489; его же, Extreme states of matter, "Soviet science review", 1972, July, p. 199; его же, Сверхпроводимость и элементарные частицы, "УФН", 1978, т. 125, с. 169; Сти-шов С. M., Современное состояние физики высоких давлений, "Вестник АН СССР", 1981, в. 9, с. 52; Мигдал А. Б. [и др.], Пионные степени свободы в ядерном веществе, M., 1991; AB-рорин E. H. [и др.], Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества, "УФН", 1993, т. 163, № 5, с. 1; Ross M., High Pressure equations of state: theory and applications, in: High Pressure Chemistry, Biochemistry and Material Science, R. Winter, G. Gonas (eds.), Kluwer Academic Publishers, 1993, p. 1; Фортов B. E., Якубов И. Т., Неидеальная плазма, M., 1994.

Д. А. Киржниц, С. M. Стишов.

   <<      Предметный указатель      >>