Пікосекунди: 1. Атомний рух

Пікосекунди — це типовий часовий масштаб, на якому рухаються і стикаються один з одним атоми і молекули твердих тіл. На часах багато менше пікосекунди окремі молекули можна вважати такими, що зупинилися, і тоді цікаві явища відбуваються лише всередині них. На часах багато більше пікосекунди рух молекул усереднюється, і перед нами постає суцільна речовина

1 пс = 10 ^‑ 12 c

Якщо при наносекундному масштабі ми стежили за властивостями речовини, то в пікосекундному діапазоні колективна поведінка суцільної матерії ніби розсипається на окремі елементарні «кроки».

[v _ T =sqrt {frac {3k _ B T} {m}_}] kB — постійна Больц

мана, m — маса молекули

І відразу перша приємна новина: пікосекундний масштаб атомних рухів не потрібно запам’ятовувати, його легко вирахувати. Дивитися: типова відстань між атомами в рідині або твердому тілі — кілька атомних розмірів, тобто кілька ангстрем. Типові швидкості руху — це звичайні теплові швидкості. Їх можна порахувати за формулою, але для найпростіших оцінок за порядком величини можна просто взяти швидкість звуку в повітрі — адже цей звук пов’язаний з рухом атомів. Ця проста оцінка дає опорний масштаб часів атомного руху в твердому тілі або в рідині:

Сюди, в принципі, можна було підставити і швидкість звуку в твердому тілі, хоч це було б трохи менш коректно. Ми б тоді отримали час у кілька разів менше, але така відмінність для розуміння масштабу несуттєва.

Звичайно, в кожній конкретній ситуації характерний час атомного руху може відхилятися в ту чи іншу сторону. Наприклад, атоми водню дуже легкі, і через це вони при кімнатній температурі рухаються набагато швидше. Типовий період коливань або зіткнень атомів водню на порядок менше нашої оцінки і становить кілька десятків фемтосекунд. Важкі молекули або частини великих і складних молекул, навпаки, рухаються помітно повільніше. Ну а якщо до того ж говорити про температури, що істотно відрізняються від кімнатної, то і швидкості, і часи між зіткненнями теж можуть змінитися.

Однак з точністю до цих застережень і уточнень наше просте обчислення дає вірну оцінку для найважливішого опорного часового рубежу. На часах набагато більше пікосекунди молекулярний рух виходить з поля зору, і ми тоді говоримо про усереднені властивості речовини. На часах, багато менших пікосекунди, рухом атомів можна знехтувати, речовина як така нас вже не цікавить, і ми занурюємося у світ внутрішньоатомного руху.

Наостанок, для бажаючих помедитувати під атомний рух, — відеоролик з результатами моделювання руху молекул води в маленькому об’ємнику.