Пикосекунды: 1. Атомное движение

Пикосекунды — это типичный временной масштаб, на котором двигаются и сталкиваются друг с другом атомы и молекулы твердых тел. На временах много меньше пикосекунды отдельные молекулы можно считать остановившимися, и тогда интересные явления происходят лишь внутри них. На временах много больше пикосекунды движение молекул усредняется, и перед нами предстает сплошное вещество

1 пс = 10⁻¹² c Если при наносекундном масштабе мы следили за свойствами вещества, то в пикосекундном диапазоне коллективное поведение сплошной материи как бы рассыпается на отдельные элементарные «шаги».

\[v_T = \sqrt{ \frac{3k_B T}{m}} \] k_B — постоянная Больцмана,

m — масса молекулы И сразу первая приятная новость: пикосекундный масштаб атомных движений не требуется запоминать, его легко вычислить. Смотрите: типичное расстояние между атомами в жидкости или твердом теле — несколько атомных размеров, т. е. несколько ангстрем. Типичные скорости движения — это обычные тепловые скорости. Их можно сосчитать по формуле, но для самых простых оценок по порядку величины можно просто взять скорость звука в воздухе — ведь этот звук связан с движением атомов. Эта простая оценка дает опорный масштаб времен атомного движения в твердом теле или в жидкости:

Сюда, в принципе, можно было подставить и скорость звука в твердом теле, хоть это было бы чуть менее корректно. Мы бы тогда получили время в несколько раз меньше, но такое отличие для понимания масштаба несущественно.

Конечно, в каждой конкретной ситуации характерное время атомного движения может отклоняться в ту или иную сторону. Например, атомы водорода очень легкие, и из-за этого они при комнатной температуре движутся намного быстрее. Типичный период колебаний или столкновений атомов водорода на порядок меньше нашей оценки и составляет несколько десятков фемтосекунд. Тяжелые молекулы или части крупных и сложных молекул, наоборот, движутся заметно медленнее. Ну а если вдобавок говорить про температуры, существенно отличающиеся от комнатной, то и скорости, и времена между столкновениями тоже могут измениться.

Однако с точностью до этих оговорок и уточнений наше простое вычисление дает верную оценку для важнейшего опорного временного рубежа. На временах намного больше пикосекунды молекулярное движение выходит из поля зрения, и мы тогда говорим про усредненные свойства вещества. На временах, много меньших пикосекунды, движением атомов можно пренебречь, вещество как таковое нас уже не интересует, и мы погружаемся в мир внутриатомного движения.

Напоследок, для желающих помедитировать под атомное движение, — видеоролик с результатами моделирования движения молекул воды в маленьком объемчике.

Пределы звука Наносекунды. Информационная емкость радиоволны