ТВЁРДОЕ ТЕ́ЛО
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 Tпл. При Т=Тпл ср. амплитуда колебаний атомов значительно меньше межатомных расстояний, а плавление обусловлено тем, что термодинамич. потенциал жидкости при Т>Тпл 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 =ℰl(p). Набор функций ℰl(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).