ТВЁРДОЕ ТЕ́ЛО

ТВЁРДОЕ ТЕ́ЛО, аг­ре­гат­ное со­стоя­ние ве­ще­ст­ва, ха­рак­те­ри­зую­щее­ся ста­биль­но­стью фор­мы и ха­рак­те­ром те­п­ло­во­го дви­же­ния ато­мов, со­вер­шаю­щих ма­лые ко­ле­ба­ния око­ло по­ло­же­ний рав­но­ве­сия. Раз­ли­ча­ют кри­стал­лич. (кри­стал­лы) и аморф­ные Т. т. Кри­стал­лы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся про­стран­ст­вен­ной пе­рио­дич­но­стью рав­но­вес­ных по­ло­же­ний ато­мов. В аморф­ных те­лах даль­ний по­ря­док в рас­по­ло­же­нии ато­мов от­сут­ст­ву­ет (см. Даль­ний и ближ­ний по­ря­док). Со­глас­но клас­сич. пред­став­ле­ни­ям, ус­той­чи­вым со­стоя­ни­ем (с ми­ним. внутр. энер­ги­ей) Т. т. яв­ля­ет­ся кри­стал­ли­че­ское. Аморф­ное те­ло на­хо­дит­ся в ме­та­ста­биль­ном со­стоя­нии (см. Аморф­ное со­стоя­ние, Стек­ло­об­раз­ное со­стоя­ние).

Все ве­ще­ст­ва в при­ро­де за­твер­де­ва­ют при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и темп-ре T>0 К. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ет Не, ко­то­рый ос­та­ёт­ся жид­ким при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии вплоть до Т=0 К. Для кри­стал­ли­за­ции Не не­об­хо­ди­мо дав­ле­ние 2,5 МПа при Т=1,5 К (см. Ге­лий твёр­дый).

Струк­тур­ны­ми еди­ни­ца­ми Т. т. яв­ля­ют­ся ато­мы, мо­ле­ку­лы и ио­ны (атом­ные час­ти­цы). Кри­стал­лич. струк­ту­ра Т. т. за­ви­сит от сил, дей­ст­вую­щих ме­ж­ду эти­ми час­ти­ца­ми. Од­ни и те же час­ти­цы мо­гут об­ра­зо­вы­вать разл. струк­ту­ры, напр. се­рое и бе­лое оло­во, гра­фит и ал­маз (см. По­ли­мор­физм).

По ти­пу свя­зей ме­ж­ду атом­ны­ми час­ти­ца­ми и по энер­ги­ям этих свя­зей Т. т. де­лят­ся на ион­ные кри­стал­лы, ко­ва­лент­ные кри­стал­лы, ме­тал­ли­че­ские кри­стал­лы, мо­ле­ку­ляр­ные кри­стал­лы, кри­стал­лы с во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. Клас­си­фи­ка­ция по ти­пам свя­зей ус­лов­на, во мно­гих ве­ще­ст­вах на­блю­да­ет­ся со­че­та­ние разл. ти­пов свя­зи (см. Кри­стал­ло­хи­мия, Хи­ми­че­ская связь).

Си­лы, дей­ст­вую­щие ме­ж­ду атом­ны­ми час­ти­ца­ми в Т. т., име­ют элек­тро­маг­нит­ную при­ро­ду. Об­ра­зо­ва­ние из ато­мов и мо­ле­кул ус­той­чи­вых Т. т. по­ка­зы­ва­ет, что си­лы при­тя­же­ния на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка 10^–8 см урав­но­ве­ши­ва­ют­ся си­ла­ми от­тал­ки­ва­ния. Зна­ние сил взаи­мо­дей­ст­вия по­зво­ля­ет по­лу­чить урав­не­ние со­стоя­ния твёр­до­го те­ла.

Из­ме­няя рас­стоя­ние ме­ж­ду ато­ма­ми с по­мо­щью внеш­не­го дав­ле­ния, мож­но су­ще­ст­вен­но из­ме­нить ве­ли­чи­ну меж­атом­ных взаи­мо­дей­ст­вий, а сле­до­ва­тель­но, кри­стал­лич. струк­ту­ру и свой­ст­ва Т. т. Из­ме­не­ния струк­ту­ры и свойств Т. т. про­ис­хо­дят так­же при из­ме­не­нии темп-ры, под дей­ст­ви­ем маг­нит­ных и элек­трич. по­лей и при др. внеш­них воз­дей­ст­ви­ях (см. Фа­зо­вый пе­ре­ход, Струк­тур­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды).

При дос­та­точ­ном по­вы­ше­нии темп-ры все Т. т. пла­вят­ся (или воз­го­ня­ют­ся). Под­во­ди­мая к те­лу в про­цес­се плав­ле­ния те­п­ло­та тра­тит­ся на раз­рыв меж­атом­ных свя­зей. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ет твёр­дый ³Не, ко­то­рый в сме­си с жид­ким ³Не пла­вит­ся под дав­ле­ни­ем при по­ни­же­нии темп-ры (см. По­ме­ран­чу­ка эф­фект).

Ко­ле­бат. ха­рак­тер дви­же­ния атом­ных час­тиц в Т. т. со­хра­ня­ет­ся вплоть до темп-ры плав­ле­ния T_пл. При Т=Т_пл ср. ам­пли­ту­да ко­ле­ба­ний ато­мов зна­чи­тель­но мень­ше меж­атом­ных рас­стоя­ний, а плав­ле­ние обу­слов­ле­но тем, что тер­мо­ди­на­мич. по­тен­ци­ал жид­ко­сти при Т>Т_пл мень­ше тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла Т. т. Кван­то­ва­ние ко­ле­бат. дви­же­ния ато­мов, со­став­ляю­щих кри­стал­лич. ре­шёт­ку, по­зво­ли­ло вве­сти ква­зи­ча­сти­цы – фо­но­ны. В аморф­ных те­лах те­п­ло­вое дви­же­ние час­тиц так­же но­сит ко­ле­бат. ха­рак­тер, од­на­ко фо­но­ны уда­ёт­ся вве­сти толь­ко для низ­ко­час­тот­ных аку­стич. ко­ле­ба­ний.

Ди­на­мич. тео­рия кри­стал­лич. ре­шёт­ки по­зво­ли­ла объ­яс­нить уп­ру­гие свой­ст­ва Т. т., свя­зав зна­че­ния ста­тич. мо­ду­лей уп­ру­го­сти с си­ло­вы­ми кон­стан­та­ми. Те­п­ло­вые свой­ст­ва – тем­пе­ра­тур­ный ход те­п­ло­ём­ко­сти (см. Де­бая за­кон те­п­ло­ём­ко­сти), ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния и те­п­ло­про­вод­но­сти объ­яс­ня­ют­ся как ре­зуль­тат из­ме­не­ния с темп-рой чис­ла фо­но­нов и дли­ны их сво­бод­но­го про­бе­га. Оп­тич. свой­ст­ва, напр. по­гло­ще­ние фо­то­нов ИК-из­лу­че­ния, объ­яс­ня­ют­ся ре­зо­нанс­ным воз­бу­ж­де­ни­ем оп­тич. вет­ви ко­ле­ба­ний кри­стал­лич. ре­шёт­ки (см. Ди­на­ми­ка кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки).

Од­ним из осн. ре­зуль­та­тов кван­то­вого под­хо­да к ис­сле­до­ва­нию свойств кри­стал­лич. Т. т. яви­лась кон­цеп­ция ква­зи­ча­стиц. Ква­зи­ча­сти­цы су­ще­ст­ву­ют не в сво­бод­ном про­стран­ст­ве (как час­ти­цы в ре­аль­ных га­зах), а в кри­стал­лич. ре­шёт­ке, струк­ту­ра ко­то­рой от­ра­жа­ет­ся в их свой­ст­вах. Зна­ние струк­ту­ры Т. т. и ха­рак­те­ра дви­же­ния час­тиц по­зво­ля­ет ус­та­но­вить, ка­кие ква­зи­ча­сти­цы от­вет­ст­вен­ны за то или др. яв­ле­ние или свой­ст­во. Напр., вы­со­кая элек­тро­про­вод­ность ме­тал­лов обу­слов­ле­на элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти, а те­п­ло­про­вод­ность – элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти и фо­но­на­ми, не­ко­то­рые осо­бен­но­сти по­гло­ще­ния све­та в Т. т. – эк­си­то­на­ми, фер­ро­маг­нит­ный ре­зо­нанс – маг­но­на­ми и т. д.

Т. т. изу­ча­ет фи­зи­ка твёр­до­го те­ла, в ко­то­рой по объ­ек­там ис­сле­до­ва­ния вы­де­ля­ют отд. об­лас­ти – фи­зи­ку ме­тал­лов, фи­зи­ку по­лу­про­вод­ни­ков и ди­элек­три­ков, фи­зи­ку маг­не­ти­ков, фи­зи­ку сверх­про­вод­ни­ков, фи­зи­ку на­но­ст­рук­тур и др. В ре­зуль­та­те объ­е­ди­не­ния фи­зи­ки Т. т. и фи­зи­ки жид­ко­сти воз­ник но­вый раздел – фи­зи­ка кон­ден­си­ро­ван­но­го со­стоя­ния ве­ще­ст­ва. В совр. по­ни­ма­нии фи­зи­ка Т. т. – это кван­то­вая фи­зи­ка кон­ден­си­ров. сис­тем, со­стоя­щих из ог­ром­но­го чис­ла час­тиц (по­ряд­ка 10²² см^–3).

Механические свойства

Оп­ре­де­ля­ют­ся си­ла­ми свя­зи ме­ж­ду струк­тур­ны­ми час­ти­ца­ми Т. т. Мно­го­об­ра­зие этих сил при­во­дит к раз­но­об­ра­зию ме­ха­нич. свойств: од­ни Т. т. пла­стич­ны, дру­гие – хруп­ки. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры пла­стич­ность обыч­но уве­ли­чи­ва­ет­ся. При не­боль­ших ста­тич. на­груз­ках у всех Т. т. на­блю­да­ет­ся уп­ру­гая де­фор­ма­ция (см. Гу­ка за­кон). Проч­ность кри­стал­лов не со­от­вет­ст­ву­ет си­лам свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми и обу­слов­ле­на влия­ни­ем мак­ро­ско­пич. де­фек­тов на их по­верх­но­сти. При боль­ших ме­ха­нич. на­груз­ках ре­ак­ция кри­стал­ла за­ви­сит от на­ли­чия и ко­ли­чест­ва в кри­стал­ле де­фек­тов, в ча­ст­но­сти дис­ло­ка­ций. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев имен­но дис­ло­ка­ции оп­ре­де­ля­ют пла­стич­ность Т. т. Ме­ха­нич. свой­ст­ва Т. т. за­ви­сят так­же от его об­ра­бот­ки, вно­ся­щей или уст­ра­няю­щей де­фек­ты (от­жиг, за­кал­ка, ле­ги­ро­ва­ние, гид­ро­экс­тру­зия и т. п.).

Электронные свойства

Сбли­же­ние ато­мов в Т. т. на рас­стоя­ния по­ряд­ка раз­ме­ров са­мих ато­мов при­во­дит к то­му, что ва­лент­ные элек­тро­ны те­ря­ют связь со свои­ми ато­ма­ми и дви­жут­ся по все­му те­лу. Дис­крет­ные атом­ные уров­ни энер­гии рас­ши­ря­ют­ся в по­ло­сы (энер­ге­тич. зо­ны), при­чём зо­ны раз­ре­шён­ных энер­гий мо­гут быть от­де­ле­ны друг от дру­га зо­на­ми за­пре­щён­ных энер­гий, но мо­гут и пе­ре­кры­вать­ся (см. Зон­ная тео­рия).

Со­стоя­ние элек­тро­на в энер­ге­тич. зо­не ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ква­зи­им­пуль­сом р, а энер­гия ℰ элек­тро­на яв­ля­ет­ся пе­рио­дич. функ­ци­ей ква­зи­им­пуль­са: ℰ =ℰ_l(p). На­бор функ­ций ℰ_l(p) – фун­дам. ха­рак­те­ри­сти­ка элек­трон­ных со­стоя­ний в кри­стал­ле, с по­мо­щью ко­то­рой оп­ре­де­ля­ют­ся осн. ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки элек­тро­нов (см. Бло­хов­ские элек­тро­ны). В аморф­ных те­лах ква­зи­им­пульс вве­сти нель­зя; стро­го за­пре­щён­ных зон энер­гии в них нет, од­на­ко есть ква­зи­за­пре­щён­ные об­лас­ти, где плот­ность со­стоя­ний мень­ше, чем в раз­ре­шён­ных зо­нах. Дви­же­ние элек­тро­на с энер­ги­ей из ква­зи­за­пре­щён­ной об­лас­ти ло­ка­ли­зо­ва­но, из раз­ре­шён­ной зо­ны – де­ло­ка­ли­зо­ва­но (см. Не­упо­ря­до­чен­ные сис­те­мы).

Су­ще­ст­во­ва­ние Т. т. с разл. элек­трич. свой­ст­ва­ми свя­за­но с ха­рак­те­ром за­пол­не­ния элек­тро­на­ми энер­ге­тич. зон при Т=0 К. Ес­ли все зо­ны ли­бо пол­но­стью за­пол­не­ны элек­тро­на­ми, ли­бо пус­ты, то та­кие Т. т. не про­во­дят элек­трич. ток, т. е. яв­ля­ют­ся ди­элек­три­ка­ми (изо­ля­то­ра­ми). Т. т., имею­щие зо­ны, час­тич­но за­пол­нен­ные элек­тро­на­ми, – про­вод­ни­ки элек­трич. то­ка – ме­тал­лы. По­лу­про­вод­ни­ки от­ли­ча­ют­ся от ди­элек­три­ков ма­лой ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны. Т. т. с ано­маль­но ма­лым пе­ре­кры­ти­ем ва­лент­ной зо­ны и зо­ны про­во­ди­мо­сти на­зы­ва­ют по­лу­ме­тал­ла­ми. Су­ще­ст­ву­ют бес­ще­ле­вые по­лу­про­вод­ни­ки, зо­на про­во­ди­мо­сти ко­то­рых при­мы­ка­ет к ва­лент­ной зо­не. На­ли­чие де­фек­тов и при­ме­сей в кри­стал­ле при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию до­пол­нит. при­мес­ных энер­ге­тич. уров­ней, рас­по­ла­гаю­щих­ся в за­пре­щён­ной зо­не.

Энер­ге­тич. зо­на, в ко­то­рой не за­ня­ты со­стоя­ния с энер­гия­ми, близ­ки­ми к мак­си­маль­ным, про­яв­ля­ет се­бя как зо­на, со­дер­жа­щая по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные час­ти­цы – дыр­ки. Пе­ре­ход элек­тро­на при воз­бу­ж­де­нии в зо­ну про­во­ди­мо­сти со­про­во­ж­да­ет­ся об­ра­зо­ва­ни­ем дыр­ки в ва­лент­ной зо­не. Элек­тро­ны час­тич­но за­пол­нен­ных зон (элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти) и дыр­ки яв­ля­ют­ся но­си­те­ля­ми за­ря­да в Т. т. Кро­ме то­го, в Т. т. су­ще­ст­ву­ют и бо­лее слож­ные об­ра­зо­ва­ния: по­ля­ро­ны, эк­си­то­ны Ва­нье – Мот­та и Френ­келя – в по­лу­про­вод­ни­ках; ку­пе­ров­ские па­ры – в сверх­про­вод­ни­ках (см. Ку­пе­ра эф­фект).

В ме­тал­лах при низ­ких темп-pax элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти не толь­ко про­во­дят ток, но и иг­ра­ют важ­ную роль в те­п­ло­вых свой­ст­вах. Ли­ней­ная за­ви­си­мость те­п­ло­ём­ко­сти и ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния ме­тал­ла от темп-ры при Т→0 К объ­яс­ня­ет­ся тем, что элек­тро­ны, под­чиняю­щие­ся Фер­ми – Ди­ра­ка ста­ти­сти­ке, силь­но вы­ро­ж­де­ны. Вы­ро­ж­де­ние со­хра­ня­ет­ся прак­ти­че­ски при всех темп-pax, т. к. темп-pa вы­ро­ж­де­ния для ме­тал­лов по­ряд­ка 10⁴ К. По­это­му при вы­со­ких темп-pax те­п­ло­ём­кость ме­тал­лов не­от­ли­чи­ма от те­п­ло­ём­ко­сти ди­элек­три­ков. Бла­го­да­ря вы­ро­ж­де­нию элек­тро­нов в ме­тал­лах в про­цес­сах пе­ре­но­са (элек­тро­про­вод­ность, те­п­ло­про­вод­ность) уча­ст­ву­ют толь­ко элек­тро­ны, рас­по­ло­жен­ные вбли­зи по­верх­но­сти Фер­ми. Б. ч. те­п­ло­ты в ме­тал­лах пе­ре­но­сит­ся элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти. В ши­ро­ком диа­па­зо­не тем­пе­ра­тур су­ще­ст­ву­ет со­от­но­ше­ние ме­ж­ду элек­тро­про­вод­но­стью и элек­трон­ной те­п­ло­про­вод­но­стью (Ви­де­ма­на – Фран­ца за­кон).

Тер­мо­элек­трич. яв­ле­ния (тер­мо­эдс, Пель­тье эф­фект и др.) так­же воз­ни­ка­ют вслед­ст­вие уча­стия элек­тро­нов в пе­ре­но­се те­п­ло­ты. Маг­нит­ное по­ле из­ме­ня­ет элек­тро­про­вод­ность и те­п­ло­про­вод­ность Т. т. и слу­жит при­чи­ной галь­ва­но­маг­нит­ных яв­ле­ний и тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ных яв­ле­ний (см. Хол­ла эф­фект, Нерн­ста – Эт­тин­гс­хау­зе­на эф­фект и др.).

Ко­эф. от­ра­же­ния элек­тро­маг­нит­ных волн ме­тал­лом бли­зок к 1, т. к. элек­тро­маг­нит­ные вол­ны бла­го­да­ря скин-эф­фек­ту прак­ти­че­ски не про­ни­ка­ют в ме­талл (см. Ме­тал­ло­оп­ти­ка).

Свой­ст­ва по­лу­про­вод­ни­ков лег­ко из­ме­ня­ют­ся при срав­ни­тель­но сла­бых внеш­них воз­дей­ст­ви­ях (из­ме­не­ние темп-ры и дав­ле­ния, ос­ве­ще­ние, вве­де­ние при­ме­сей и т. п.), на этом ос­но­ва­ны их мно­го­числ. при­ме­не­ния (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вые при­бо­ры). В не­ко­то­рых по­лу­про­вод­ни­ках, ле­ги­ро­ван­ных боль­шим чис­лом при­ме­сей (силь­но­ле­ги­ро­ван­ные по­лу­про­вод­ни­ки), при низ­ких темп-pax на­сту­па­ет вы­ро­ж­де­ние га­за но­си­те­лей за­ря­да, что сбли­жа­ет их с ме­тал­ла­ми.

Элек­трон­ные свой­ст­ва аморф­ных тел за­ви­сят от то­го, в ка­кой об­лас­ти (раз­ре­шён­ной или ква­зи­за­пре­щён­ной) рас­по­ло­жен уро­вень Фер­ми. Су­ще­ст­во­ва­ние в аморф­ных те­лах ана­ло­га зон­ной струк­ту­ры объ­яс­ня­ет их де­ле­ние на аморф­ные ме­тал­лы (см. так­же Стек­ло ме­тал­ли­че­ское), ди­элек­три­ки и по­лу­про­вод­ни­ки (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки).

Ряд ме­тал­лов при ох­ла­ж­де­нии ни­же не­ко­то­рой кри­тич. темп-ры пе­ре­хо­дит в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние (см. Сверх­про­во­ди­мость, Сверх­про­вод­ни­ки, Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные сверх­про­вод­ни­ки).

Магнитные свойства

При дос­та­точ­но вы­со­ких темп-рах все Т. т. ли­бо диа­маг­нит­ны (см. Диа­маг­не­тизм), ли­бо па­ра­маг­нит­ны (см. Па­ра­маг­не­тизм). При по­ни­же­нии темп-ры мн. па­ра­маг­не­ти­ки при не­ко­то­рой кри­тич. темп-ре пе­рехо­дят ли­бо в фер­ро-, ли­бо в фер­ри-, ли­бо в ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное со­стоя­ние, для ко­то­рых ха­рак­тер­на упо­ря­до­чен­ная ори­ен­та­ция маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов в от­сут­ст­вие внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля (см. Фер­ро­маг­не­тизм, Фер­ри­маг­не­тизм, Ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм). Ха­рак­тер упо­ря­до­че­ния за­ви­сит от сил, дей­ст­вую­щих ме­ж­ду маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ато­мов. Эти си­лы име­ют кван­то­вое про­ис­хо­ж­де­ние и обу­слов­ле­ны элек­тро­ста­тич. взаи­мо­дей­ст­ви­ем ме­ж­ду элек­тро­на­ми (см. Маг­не­тизм, Об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие).

Роль поверхности

Су­ще­ст­вен­ное влия­ние на свой­ст­ва Т. т. ока­зы­ва­ет его по­верх­ность. По­верх­ность твёр­до­го те­ла иг­ра­ет оп­ре­де­ляю­щую роль в та­ких яв­ле­ни­ях, как ка­та­лиз, кор­ро­зия, рост кри­стал­лов (см. Кри­стал­ли­за­ция, Ад­сорб­ция, По­верх­но­ст­ные со­стоя­ния).