Сухоносов В.Я.
АЭРОЗОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА ВОДЫ *
Аннотация:
физическая сущность ридберговского вещества воды заключается в том, что ридберговское вещество является атмосферным аэрозолем, дисперсная фаза которого есть сильно неравновесная и термодинамически неустойчивая система из – за избытка поверхностной энергии. Неравновесная система достигает своего минимума поверхностной энергии в результате образования диссипативной структуры в виде сфероида с тонкой упругой заряженной оболочкой. Внутри сфероида под оболочкой находятся ридберговские молекулы и компоненты воздуха как инертный наполнитель. Ридберговский сфероид является источником энергии электронного возбуждения, которую он излучает в виде световой энергии
Ключевые слова:
ридберговское вещество, ридберговский сфероид, воздушный аэрозоль, диссипативная структура
DOI 10.24412/2712-8849-2023-663-1096-1114
УДК 539.1.04
Сухоносов В.Я.
канд. физ.- мат. наук
vysukhonosov@yandex.ru
(г. Обнинск, Россия)
АЭРОЗОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА ВОДЫ
Аннотация: физическая сущность ридберговского вещества воды заключается в том, что ридберговское вещество является атмосферным аэрозолем, дисперсная фаза которого есть сильно неравновесная и термодинамически неустойчивая система из – за избытка поверхностной энергии. Неравновесная система достигает своего минимума поверхностной энергии в результате образования диссипативной структуры в виде сфероида с тонкой упругой заряженной оболочкой. Внутри сфероида под оболочкой находятся ридберговские молекулы и компоненты воздуха как инертный наполнитель. Ридберговский сфероид является источником энергии электронного возбуждения, которую он излучает в виде световой энергии.
Ключевые слова: ридберговское вещество, ридберговский сфероид, воздушный аэрозоль, диссипативная структура.
ВВЕДЕНИЕ
В работах [1-3] была разработана теория образования ридберговского вещества (РВ) в результате конденсации плотного газа ридберговских атомов цезия. Экспериментально был обнаружен кластер, состоящий из ~ 104 ридберговских атомов цезия. Исследования этого кластера подтвердили основные положения теории. В работе [4] была выдвинута гипотеза о возможном образовании ридберговского вещества при облучении жидкой воды быстрыми электронами. РВ состоит из ридберговских молекул (РМ), образованных в облученной воде. Каждая ридберговская молекула является элементарным источником излучения, а ридберговское вещество представляет собой макроскопический источник света в форме сфероида, который излучает свет с длиной волны ~600 нм в виде долгоживущего светящегося образования [5]. Начальная стадия люминесценции протекает по механизму сверхизлучения. Возможны режимы люминесценции, усиленной люминесценции и сверхизлучения в зависимости от числа ридберговских молекул. В кинетике излучения РВ имеет место режим с обострением. Установлено, что возможно прямое преобразование энергии накачки РМ в энергию мощного сверхбыстрого импульса.
В работе [6] в рамках классической модели Лоренца были исследованы основные свойства РВ как излучающей среды. Ридберговское вещество характеризуется кооперативным взаимодействием РМ через собственное поле излучения. Установлено, что РВ является слабо нелинейной средой.
Цель настоящей работы состояла в построении модели образования ридберговского вещества как молекулярной среды, а также в установлении физической сущности ридберговского вещества и основных его свойств.
ПЕРВИЧНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ СТАДИЯ РАДИОЛИЗА ЖИДКОЙ ВОДЫ
При облучении тонкого слоя воды быстрыми электронами происходит радиолиз воды. На первичной физической стадии радиолиза протекает следующие реакции:
Н2О + е- → Н2О**
Н2О+ + Н2О → Н3О+ + ОН
Н2О* - возбужденные молекулы воды с энергиями ħω = 8,4 эВ и 10,1 эВ; Н2О** - сверхвозбужденные молекулы воды: ридберговские состояния с энергиями ħω = 11,26 эВ, 11,93 эВ, 14,1 эВ и плазмоны с энергией ħω =21,4 эВ. Подробный механизм взаимодействия ионизирующего излучения с жидкой водой и расчет выхода возбужденных и ионизованных молекул воды методом Монте – Карло был рассмотрен в работе [7]. Расчетные данные по возбужденным и сверхвозбужденным состояниям воды приведены в табл. 1.
Для дальнейшего рассмотрения нас будет интересовать РМ с энергией 14,1 эВ. Оказалось, что эти молекулы имеет очень большой эффективный диаметр, равный dРМ = 9,8∙10-6 см, и необычно большое время жизни,
Таблица 1. Расчетные данные выхода возбужденных состояний молекул воды и распределение поглощенной энергии по возбужденным состояниям.
|
Энергия возбужденных состояний молекул воды ħω, эВ |
8,4 |
10,1 |
11,26 |
11,93 |
14,1 |
21,4 |
|
Выход возбужденных состояний молекул воды на 100 эВ поглощенной энергии |
0,545 |
0,256 |
0,038 |
0,184 |
0,2 |
1,06 |
|
Распределение поглощенной энергии по возбужденным состояниям, эВ |
4,578 |
2,586 |
0,428 |
2,195 |
2,82 |
22,68 |
равное 5,8∙10-5 с [4]. За эффективный радиус ридберговской молекулы принимается расстояние от условного центра молекулы (ионного остова) до самой дальней из стабильных орбит ридберговского электрона в электронной оболочке молекулы. Молекулы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, на определенном расстоянии от ее центра быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому, молекуле приписывают некоторый радиус сферы, полагая, что внутри этой сферы сосредоточена подавляющая часть электронной плотности (90-98%). Эффективный диаметр ридберговских молекул воды значительно больше характерных атомных ~10-8см и молекулярных~10-7см размеров. Для сравнения в табл.2 приведены характерные эффективные диаметры атома водорода и некоторых молекул.
Таблица 2. Эффективные диаметры атома водорода и молекул.
|
Молекула |
H |
O2 |
H2O |
N2 |
CO2 |
Гемоглобин |
Гемоцианин |
РМ |
|
Эффективный диаметр, нм |
0,25 |
0,3 |
0,3 |
0,32 |
0,33 |
6,4 |
50 |
98 |
Как видно из табл.2, РМ превышают характерные молекулярные размеры на два порядка, и только молекулы гемоцианина сравнимы с РМ. Фактически РМ сопоставимы по линейным размерам с наночастицами.
РИДБЕРГОВСКОЕ ВЕЩЕСТВО
КАК НОВЫЙ ТИП КОЛЛОИДНОЙ СИСТЕМЫ
Существует следующие уровни организации материи:
В атмосферном воздухе молекулы воды образуют аэрозоль, называемый дымкой, в виде скопления капель размером менее 1 мкм. Взвесь капель воды размером порядка 10 мкм образуют туман. Гигантские ридберговские молекулы в воздухе также способны образовывать гетерогенную систему и формировать атмосферный аэрозоль. Специфика этого аэрозоля заключается в том, что он состоит не из диспергируемых частиц, а из гигантских отдельных молекул. Это новый тип коллоидной системы.
ФОРМИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО
АЭРОЗОЛЯ РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ
Тонкий слой воды облучают быстрыми электронами. В результате радиолиза образуется ансамбль РМ. Межмолекулярным взаимодействием между РМ и водой можно пренебречь по сравнению с взаимодействием РМ между собой, т.е. РМ являются гидрофобными. Следовательно, РМ легко переходят из жидкой воды в атмосферный воздух. Предполагаем, что начальная плотность РМ равна плотности водяного пара, которая равна ρ = 0,76∙10-3 г/см3, что значительно меньше плотности сухого воздуха ρ = 1,2047∙10-3 г/см3. В результате водяной пар РМ формирует атмосферный аэрозоль, в виде «облака» с цилиндрической геометрией. Ансамбль РМ образует дисперсную фазу атмосферного высокодисперсного аэрозоля и молекулы могут находиться во взвешенном состоянии в воздушной дисперсионной среде продолжительное время.
Особенность аэрозоля РМ состоит в том, что этот аэрозоль имеет очень большую межфазную поверхность В по сравнению с молекулами воды. Пусть имеем N молекул воды радиуса r с поверхностью В0 = 4πr2. В результате возбуждения воды электронами получим также N ридберговских молекул радиуса R с поверхностью В = 4πR2. При этом поверхность раздела фаз РМ увеличилась в ~ 105 раз по сравнению с молекулами воды. Аэрозоль РМ находится в сильно неравновесном состоянии и является термодинамически неустойчивым. Нескомпенстрованность межмолекулярных сил на большой поверхности раздела дисперсная среда — воздух обуславливает возникновение большого поверхностного натяжения, которое равно ϭ = Wпов /B, где Wпов — свободная поверхностная энергия. Подобно тому, как тело в потенциальном поле тяготения обладает запасом энергии, так и при затрате работы на увеличение поверхности дисперсной среды создается запас свободной потенциальной энергии. Поверхностное натяжение формируется и зависит от межмолекулярного взаимодействия ридберговских молекул. Наибольшим поверхностным натяжением обладают вещества, имеющие межмолекулярные водородные связи. Значения поверхностных натяжений для различных жидкостей на границе с воздухом приведены в табл.3.
Как следует из табл. 3, поверхностное натяжение жидкостей существенно зависит от их полярности, а также от их химической структуры. Чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем большей летучестью она обладает. Как правило, с ростом дипольного момента молекул среды поверхностное натяжение жидкостей растет. Гексан, являясь неполярной жидкостью, имеет наименьшее поверхностное натяжение. Спирты (глицерин, этанол, метанол и
Таблица 3. Поверхностное натяжение жидкостей ϭ на границе с воздухом (Т=293 К) в зависимости от дипольного момента среды.
|
Вещество |
гексан |
глицерин |
этанол |
метанол |
этилен-гликоль |
ацетон |
Вода |
|
Молеку-лярная формула |
C6H14 |
C3H8O3 |
C2H5OH |
CH3OH |
C2H6O2 |
C2H6O |
H2O |
|
Диполь-ный момент, D |
0 |
0,28 |
1,65 |
1,70 |
2,2 |
2,84 |
1,84 |
|
ϭ, мДж/м2 |
18,4 |
62,5 |
22,8 |
22,61 |
46,1 |
23,8 |
72,7 |
этиленгликоль) являются полярными жидкостями и их поверхностное натяжение выше, чем поверхностное натяжение гексана и зависит от полярности вещества. Полярные жидкости имеют большое межмолекулярное взаимодействие, следовательно, и большое поверхностное натяжение.
Вода обладает наибольшим значением поверхностного натяжения, которое объясняется наличием сильных водородных связей.
По порядку величины дипольный момент РМ можно оценить как μ = e·l = e·r, где e - заряд электрона; l - плечо диполя, r – радиус молекулы. Для молекулы воды rН2О = 1,5 Å оценка дипольного момента равна μН2О = 7,2 D. Точное значение равно μН2О = 1,84 D. Для РМ с радиусом rРМ = 49 нм имеем оценку дипольного момента μ = e·l = e·rРМ = 2352 D.
Таким образом, гигантские ридберговские молекулы обладают значительно большим дипольным моментом, чем дипольный момент воды, а, следовательно, можно предположить, что РВ имеет поверхностное натяжение большее, чем у воды. Будем считать, что поверхностное натяжение РВ такое же как и у жидких щелочных металлов порядка 200 мДж/м2.
ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТОНКОЙ
УПРУГОЙ ПЛЕНКИ (ОБОЛОЧКИ) АЭРОЗОЛЯ
Аэрозоль ридберговских молекул имеет граничную область между ридберговскими молекулами и воздухом. В этой области происходит непрерывное изменение свойств аэрозоля от значений, характерных для дисперсной среды, до значений, характерных для воздуха. Такой аэрозоль имеет наибольшее различие в природе граничащих фаз. Ридберговские молекулы в граничной области образуют тонкий поверхностный слой.
Большая избыточная потенциальная энергия аэрозоля локализуется в тонком поверхностном слое. Поверхностные ридберговские молекулы характеризуются большим поверхностным натяжением сопоставимым с поверхностным натяжением жидких щелочных металлов. Под действием молекулярных сил поверхностные молекулы стремятся уйти вглубь объема, сжимая поверхность. Сила, стягивающая поверхность, у ридберговских молекул особенно велика. Кроме того, РМ образуют водородные связи, поэтому поверхностные молекулы будут находиться в состоянии конденсированного вещества и представлять собой тонкую пленку. Известно, что тонкая пленка воды составляет от 50 до 100 молекулярных слоев. Будем считать, что ридберговские молекулы также способны образовывать пленку толщиной в 50 молекулярных слоев, т. е. толщиной ~ 5 мкм. Такая водная пленка обладает упругими и эластичными свойствами и имеет небольшую механическую прочность из-за водородных связей. Эта пленка имеет более «рыхлую» структуру, чем структура дисперсной среды в объеме, но обладает способностью выдерживать вес легкого тела.
САМОРОИЗВОЛЬНОЕ УМЕНЬШЕНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ
Аэрозоль РМ с большим запасом свободной поверхностной энергии самопроизвольно стремится минимизировать свою энергию путем диссипации в соответствии с фундаментальным законом природы - любая система стремится к самопроизвольному уменьшению запасенной в ней свободной энергии. При этом аэрозоль является диссипативной системой. Убыль поверхностной энергии на границе дисперсная среда — воздух представляет собой изменение энергии Гиббса:
dG ≤ - SdT + Vdp + , (1)
где S – энтропия, dT, dp – изменение температуры и давления; μi , ni – химический потенциал и число молей i –го адсорбируемого вещества; ϭ – поверхностное натяжение; dB – изменение поверхностного раздела фаз; φ, q – электрический потенциал и заряд поверхности. За счет энергии Гиббса система способна совершать работу, в том числе по обеспечению устойчивости локального состояния равновесия. Система стремится уменьшить поверхностную энергию, прежде всего, за счет уменьшения общей поверхности В.
Самопроизвольное уменьшение межфазной поверхности с формированием ридберговского сфероида. Уменьшение свободной энергии системы обусловливает тенденцию к самопроизвольному сокращению межфазной поверхности. Если система находится в неравновесном состоянии, отличном от локального минимума, то молекулы, находящиеся на поверхности аэрозоля, будут перемещаться с поверхности в объем. Этот процесс уменьшения площади будет происходить до тех пор, пока не установится равновесие. При этом дисперсная среда примет сферическую форму.
Поднимающийся вверх аэрозоль РМ в начальный момент формируется в виде цилиндрического столба молекул. С ростом числа РМ цилиндрический столб молекул становится более плотным и расширяется в радиальном направлении с образованием тонкой упругой пленки в виде грибовидной формы. Цилиндрическая симметрия аэрозоля не является термодинамически устойчивым состоянием. С эволюцией аэрозоля неустойчивость только нарастает. Система молекул стремится принять более устойчивую форму, которая имела бы наименьшую поверхность при данном объеме. В результате флуктуации плотности РМ в аэрозоле протекает фазовый переход 2 рода со спонтанным нарушением симметрии. Нарушение симметрии запускает механизм самоорганизации аэрозоля, в результате которого упругая грибовидная пленка «выдувается» в сфероид подобно мыльному пузырю. Когда пленка растягивается, из объема пленки на поверхность будут перемещаться РМ, усиливая слабые места. Если по каким -то причинам этого не может произойти, то дальнейшее растяжение пленки приведет к ее разрушению. Форма сфероида является самой близкой к шару, который имеет самую компактную форму в природе. Считаем, что в идеале сфероид имеет форму шара.
В процессе формирования сфероида захватывается воздух, который состоит из азота, кислорода и аргона в пропорции: N2 - 75,5 мас.%, O2 - 23,1 мас.%, Ar - 1,29 мас.%. Компоненты воздуха в сфероиде внедрены в полостях между гигантскими ридберговскими молекулами и являются инертным наполнителем. Полагаем, что плотность сфероида равно плотности воздуха, равная 1,2047·10-3 г/см3. Вес сфероида диаметром 22,7 см будет равен 7,36 г. Таким образом, вес сфероида определяется весом воздуха, а его структура состоит из РМ.
Начальные линейные размеры сфероида зависят от количества РМ в аэрозоле. Объем сфероида равен Vсф = V0·N, где V0 = 4,89·10-16 — объем ридберговской молекулы. Начальный диаметр сфероида dсф рассчитывался по формуле d = (6Vсф/π)1/3. Расчетные данные объема сфероида и его начального диаметра в зависимости от энергии импульсного разряда батареи W0 и энергии Wрад, идущей на радиолиз воды, с образованием N ридберговских молекул приведены в табл.4
Таблица 4. Зависимость начального диаметра сфероида от энергии импульсного разряда батареи W0 и от энергии Wрад, идущей на радиолиз воды.
|
W0, Дж |
500 |
1000 |
2000 |
105 |
|
Wрад, Дж |
5 |
10 |
20 |
103 |
|
N - число РМ |
0,625·1017 |
1,25·1017 |
2,5·1017 |
1,25·1019 |
|
Vсф , см3 |
30,56 |
61,13 |
122,25 |
6113 |
|
Начальный диаметр сфероида dсф, см |
3,88 |
4,89 |
6,07 |
22,7 |
Сфероид за счет РМ может накапливать энергию, равную десяткам, сотням и тысячам джоуль, а затем излучать в виде световой энергии. Плотность энергии равна ρэ = Wрад / Vсф = 0,16 Дж/см3. Плотность образующихся РМ равна
ρэ = N/Vсф = 2·1015 молекул/см3.
Проведем некоторые оценки. Предположим, что энергия импульсного разряда в жидкой воде равна 105 Дж. На радиолиз воды выделилась энергия
103 Дж. Как следует из табл.4, при этом образовалось 1,25·1019 ридберговских молекул, из которых сформировался сфероид (шар) диаметром 22,7см. Площадь поверхности шара равна Bш = π (dсф)2 = 1618 см2. Площадь поверхности ридберговской молекулы равна Bрм = 3·10-10 см2. Тогда на поверхности шара находятся Bш/Bрм = 5,4·1012 молекул, которые образуют поверхностный слой. Толщина пленки равна 50 молекулярных слоев, а общее число в пленке равно 2,7·1014 . Соотношение числа молекул в объеме и на поверхности шара равно 1,25·1019/2,7·1014 =5·104 . Следовательно, большая часть РМ находится в объеме шара. Вес ридберговских молекул в количестве 1,25·1019 равен 0,37 мг воды. Ридберговские молекулы, как накопители энергии, содержат энергию
Е= 14,1 эВ∙1,25∙1019 = 28,2 Дж. Кпд преобразования энергии Wрад в энергию сфероида ~ 3 %. Плотность накопленной энергии сфероида равна
ρаэ = = 76 кДж/г. Для сравнения плотность энергии тротила равна 4,18 кДж/г. Таким образом, ридберговский сфероид является эффективным накопителем энергии.
Самопроизвольное перераспределение заряда. Понижение свободной поверхностной энергии возможно также за счет уменьшения поверхностного натяжения. В соответствие с формулой (1) убыль энергии Гиббса протекает за счет самопроизвольного перераспределения заряда РМ. Для изобарно — изотермического процесса (dT = 0, dp = 0) и при отсутствии физико-химического взаимодействия (dni = 0) имеем:
dG ≤ ϭdB + φdq (2)
Из (2) можно получить соотношение , где заряд единицы поверхности раздела фаз. Тогда
(3)
Это термодинамическое соотношение связывает поверхностное натяжение ϭ с удельным зарядом поверхности сфероида qпов и его поверхностным электрическим потенциалом. Физический смысл этого соотношения заключается в том, что самопроизвольное перемещение заряда к поверхности раздела фаз сфероид — воздух приводит к уменьшению избыточного поверхностного натяжения, а, следовательно, уменьшает свободную энергию системы. Соотношение (3) фактически является определением работы, которую совершают силы электростатического поля при перемещении точечного электрического заряда q на поверхность: dAпов = -qdφ.
Из приведенного анализа следует, что электронная плотность ридберговских электронов вблизи поверхности межфазной границы будет смещена к поверхности сфероида. Это перераспределение электронной плотности приведет к возникновению отрицательного электрического потенциала на поверхности сфероида в тонком слое.
Следует отметить, что электрический заряд поверхности сфероида не может быть значительным из -за принципа запрета Паули. Согласно принципу запрета Паули никакие два электрона в квантовой системе не могут обладать одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. Этот принцип определяет способ размещения электронов по молекулярным орбиталям и исключает их высокую плотность в фиксированном объеме. Именно принцип запрета Паули не позволяет материальным объектам проходить друг через друга.
Ридберговские электроны сильно делокализованы в пространстве. При перекрывании электронных оболочек молекул, в соответствие с принципом Паули, ридберговские электроны одной молекулы будут избегать ридберговские электроны других молекул в силу того, что нахождение на одной орбитали более двух электронов запрещено. Для размещения дополнительных электронов должны быть использованы более высокие орбитали, что вызывает отталкивание.
На границе поверхность сфероида — воздух заряд РМ не компенсируется и является избыточным в силу того, что двойной электрический слой не образуется. Проводящая поверхность в условиях равновесия зарядов (отсутствия токов) имеет постоянный потенциал. Следует отметить, что, как правило, аэрозольные частицы несут небольшой заряд до 100 элементарных зарядов (1,6∙10-17 Кл). Электрические заряды возникают при образовании аэрозолей, например, при измельчении частиц.
Оценим электрические параметры сфероида для случая энергии импульсного разряда в жидкой воде равной W0 = 105 Дж (см. табл.4). Диаметр сфероида равен 2R = 22,7 cм. Общий заряд сфероида равен Q = Ne = 1,25∙1019 ∙ 1,602∙10-19Кл = 2Кл. Этот заряд экранируется поверхностным зарядом. Сфероид находится в атмосфере в фоновом электрическом поле Земли с напряженностью 100-103 В/м. Будем считать, что напряженность электрического поля поверхности сфероида равна Епов. = 103 В/м. Тогда поверхностный заряд сфероида будет равен Qпов. =4πε0ε R2· Епов. = 1,4 нКл, а потенциал поверхности равен φ = = 111 В. Емкость сфероида равна
С = 0,13 пф. Электростатическая энергия заряженной поверхности сфероида равна Wсф==78нДж. Перераспределение зарядов обусловлено уменьшением избыточной поверхностной энергии. Это приводит к возникновению электрического потенциала на поверхности сфероида. При коротком замыкании поверхности сфероида на заземленный проводник произойдет утечка всего накопленного заряда Q = 2 Кл с возникновением тока утечки Iут. Если предположить, что импульс тока протекает за одну миллисекунду, то ток будет равен Iут = 2000 А. Сопротивление сфероида будет равно Rсф = φ / Iут = 0,06 ом.
Таким образом, в результате фазового перехода 2 рода самопроизвольно возникает сфероид с заряженной поверхностью. Несмотря на то, что сфероид обладает значительным избытком свободной поверхностной энергии, термодинамический механизм переноса электрического заряда из объема на поверхность сфероида резко ограничен принципом запрета Паули.
Самопроизвольное протекание адсорбции. Как следует из изменения функции Гиббса (1), самопроизвольное уменьшение избыточной свободной энергии системы приводит не только к самопроизвольному сокращению межфазной поверхности и к возникновению электрических зарядов на межфазной поверхности, но также и к перераспределению веществ в объеме и на поверхности раздела фаз. Действительно, для изобарно – изотермического процесса (dp = 0, dT = 0) при отсутствии изменений межфазной поверхности (dB = 0) и при отсутствии заряда поверхности (dq = 0) из (1) следует:
dG < . (4)
В случае адсорбции одного вещества будет выполняться:
dG < Δμ dn = (μВ – μV) dn ,
где μВ , μV – соответственно химический потенциал адсорбируемого вещества на поверхности и в объеме вещества. Из условия dG < 0 следует, что μV > μВ. Межфазная поверхность обогащается тем веществом, которое притягивается к ней сильнее из объема. Следовательно, термодинамический механизм приводит к росту адсорбции вещества на межфазной границе по сравнению с концентрацией этого вещества в объеме. В результате адсорбции поверхностный слой оказывается обогащенным более слабо связанным веществом, что приводит к снижению поверхностного натяжения. Адсорбция прекращается при условии dG = 0.
Зависимость между количество адсорбируемого вещества поверхностью Г от изменения поверхностного натяжения ∆ϭ и изменения концентрации вещества в объеме С выражается формулой Гиббса:
Г = - C/RT (∆ϭ/∆С), (5)
где R — газовая постоянная; Т - температура раствора. Если при увеличении концентрации вещества С поверхностное натяжение уменьшается ∆ϭ/∆С < 0, то вещество адсорбируется поверхностью Г > 0. Этот факт объясняется тем, что адсорбция вещества, в соответствии с формулой (1), сопровождается уменьшением свободной поверхностной энергии G = ϭB. Поверхность В - фиксирована, поэтому убыль G возможна только при понижении ϭ. Поверхностно-активные вещества даже при малых концентрациях значительно снижают поверхностное натяжение. Начальная стадия формирования тонкой пленки протекает при облучении воды. Добавляя в воду специально подобранные поверхностно - активные вещества, в соответствие с формулой (5), за счет процессов адсорбции можно регулировать величину поверхностного натяжения тонкой пленки.
От величины поверхности сфероида зависит также время излучения tизл сфероидом световой энергии. Запасенная сфероидом энергия пропорциональна его объему (R3), а скорость излучения света пропорциональна поверхности сфероида (R2). Тогда tизл = const R. Следовательно, если сфероид устойчив при больших диаметрах, то чем больше диаметр сфероида, тем больше его время жизни. Например, при ядерном взрыве образуется огненный шар. При диаметре шара 75 м его время жизни равно 0,2 сек, в то время, как диаметру шара 150 м соответствует время высвечивания, равное 0,5 сек.
Неустойчивость поверхности сфероида и его коллапс. Необходимым условием термодинамической устойчивости сфероида является достаточно низкое поверхностное натяжение на межфазной границе сфероид— воздух. При определенных условиях сфероид в принципе может существовать продолжительное время. Однако, при движении сфероида в атмосфере может возникнуть аэродинамическая неустойчивость. В результате аэродинамических эффектов межфазная поверхность сфероида становится неустойчивой, и на его поверхности возникают колебания ридберговского вещества. Под действием поверхностного натяжения и за счет поверхностной энергии деформация поверхности, как правило, генерирует капиллярные волны (рябь) [8-9].
Эти поверхностные волны распространяются вдоль границы раздела фаз, характеризуются короткими длинами волн λ, небольшой амплитудой и быстрым затуханием. Скорость капиллярной волны определяется ее длиной и свойствами среды классическим соотношением [10]: v = , где σ и ρ ⎯ поверхностное натяжение и плотность среды. На границе сфероид – воздух возникает зона турбулентного перемешивания, которая сопровождается развитием неустойчивости Рэлея-Тейлора[11]. Самопроизвольное нарастания амплитуды капиллярных волн, вследствие неустойчивости, приведет к частичному разрушению поверхностной пленки и выбросу капель вещества сфероида в атмосферу. Процесс разрушения поверхностной пленки завершается коллапсом сфероида, и его превращением в вихревое кольцо по аналогии с коллапсом воздушного пузыря в воде [11].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Гигантские РМ с диаметром 98нм обладают чрезвычайно большой поверхностью, большим поверхностным натяжением и способны образовывать молекулярный аэрозоль. Специфика аэрозоля РМ состоит в том, что дисперсная фаза является открытой системой и находится в сильно неравновесном и термодинамически неустойчивом состоянии. Дисперсная фаза аэрозоля РМ способна к самоорганизации. Самопроизвольное уменьшение свободной поверхностной энергии аэрозоля полностью определяет его эволюцию во времени и основные свойства.
В соответствии с фундаментальным положением неравновесной термодинамики, эволюция аэрозоля РМ завершается образованием диссипативной структуры в виде сфероида. Ридберговский сфероид представляет собой РВ, состоящее из РМ газовой плотности с содержанием компонентов воздуха. Сфероид имеет тонкую упругую оболочку толщиной 5мкм, которая несет нескомпенсированный поверхностный заряд. При запасенной энергии в тысячу джоуль сфероид имеет поверхностный заряд, равный ~ 1 нКл, и потенциал поверхности - 111 В. При этом общий заряд сфероида распределен по объему и равен 2 Кл.
Сфероид является эффективным накопителем энергии в виде электронного возбуждения ридберговских молекул. Он может накапливать энергию в несколько тысяч джоуль, а затем излучать ее в виде световой энергии. При запасенной энергии в тысячу джоуль плотность энергии равна 75 кДж/г, что на порядок больше плотности энергии тротила.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №6 (63) том 1
Ссылка для цитирования:
Сухоносов В.Я. АЭРОЗОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА ВОДЫ // Вестник науки №6 (63) том 1. С. 1096 - 1114. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8720 (дата обращения: 19.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+