Избранное
ЭБ Нефть
и Газ
Главная
Оглавление
Поиск +
Еще книги ...
Энциклопедия
Помощь
Для просмотра
необходимо:


Книга: Главная » Введенский Б.А. Большая советская энциклопедия Том 42
 
djvu / html
 

40
ТВЁРДОЕ ТЕЛО
бодно движется в кристаллич. решётке подобно частицам газа (электронный газ). Эта гипотеза, разлитая голл. учёным Г. Лоренцом и положившая начало электронной теории металлов, привела к удовлетворительному согласию с фактами только после применения статистики Ферми (см. Ферми— Дирака статистика).Напротив,теориюмеханич.свойствТ.т., определяемых в основном движением сравнительно тяжёлых атомов или ионов, удалось разработать значительно более детально в доквантовой физике. Основываясь на представлениях о решётчатом строении кристаллов, экспериментально доказанном с помощью диффракции рентгеновых лучей, нем. физики М. Лауэ (1912) и М. Борн развили динамич. теорию кристаллич. решеток (с 1915). Эта теория позволила интерпретировать не только механич. свойства кристаллов, но и нек-рые другие явления в неметаллич. Т. т. (диэлектриках), практически не содержащих свободных электронов.
В нашей стране фундаментальные исследования механических, электрических л тепловых явлений в Т. т. проводятся, начиная с 1905, А. Ф. Иоффе. Эти исследования, а также работы созданной А. Ф. Иоффе школы (А. П. Александров, Б. М. Вул, А. В. Иоффе, П. П. Кобеко, В. Е. Лашка-рев, Г. И. Сканави, П. С. Тартаковский и др.) заложили основу для развития в Советском Союзе физики диэлектриков и полупроводников. Широко представлены в СССР исследования оптических (С. И. Вавилов, Г. С. Ландсберг, Л. И. Мандельштам и др.) и электромагнитных (С. В. Вон-совский, Я. Г. Дорфман, П. Л. Капица, И. К. Кикоин, Л. Д. Ландау, А. И. Шальников и др.) явлений в Т. т. Обширные исследования механич. свойств Т. т. и в первую очередь , металлов проведены В. Д. Кузнецовым и его учениками. Фи- i зич. кристаллография получила развитие в работах А. В. Шубникова, М. В. Классен-Неклюдовой и др.
Современная квантовомеханич. теория Т. т. создана и развита в течение последних 25 лет франц. учёным Л. Брил-люэном, нем. учёными Ф. Блохом, В. Гейзенбергом и В. Шот-ки, англ, учёными Р. Кронигом, В. Пенни, Н. Моттом, советскими учёными Д. И. Блохинцевым, С. В. Вонсовским, В. Л. Гинзбургом, Л. Д. Ландау, С. И. Пекаром, И. Е. Таимом, Я. И. Френкелем, амер. учёными Ф. Зейтцем, У. Шок-ли и мн. др.
Строение и свойства твёрдых те л. При достаточно низких температурах все вещества переходят в твёрдое состояние. Скорости движения атомов или молекул уменьшаются, и поэтому силы междуатомного взаимодействия оказываются достаточными, чтобы препятствовать взаимному перемещению атомов или атомных групп, т. е. изменению формы тела.
При постоянных значениях температуры и давления термодинамически равновесное состояние тела определяется из условия минимума полного тер-модинамич. потенциала Z—U—TS+pV, где V — внутренняя энергия, S — энтропия, Т — абс. температура, р — давление, V — объём. Изменение объёма, занимаемого веществом в конденсированном (твёрдом, жидком) состоянии, незначительно; поэтому равновесному состоянию соответствует обычно минимум свободной энергии F=U—TS. В области достаточно низких температур, где F=?7, кристаллизация сопровождается уменьшением внутренней энергии тела. При больших температурах минимумы F и U не совпадают. Энтропия S=k\vW растёт с увеличением U, т. к. чем больше энергия системы, тем больше число её микросостояний W. Плавление кристаллов происходит при таких температурах, когда увеличение внутренней энергии сопровождается уменьшением свободной энергии (TS растёт быстрее, чем V).
Одно и то же вещество может существовать в твёрдом состоянии в виде нескольких различных кристаллич. структур. Образование той или иной структуры и их взаимные превращения также определяются изменениями свободной энергии F (точнее, термо-динамич. потенциала Z) при изменении конфигурации атомов. Так, напр., наличием минимумов свободной энергии обусловлен полиморфизм (см.) железа.
Чем больше давление, тем большую роль играет член pV в термодинамич. потенциале Z. При очень больших давлениях даже незначительные изменения объёма при фазовых превращениях могут существенно влиять на величину Z. В этих условиях
минимумы термодинамич. потенциала и свободной энергии не совпадают и могут возникать устойчивые кристаллич. модификации, термодинамически неосуществимые при низких давлениях. Так, напр., применяя высокие давления (от 2000 до 40000 атм), удалось получить, кроме обычной, шесть других модификаций кристаллич. льда (см. Лёд). Другим интересным и важным примером существенной роли давления в процессе перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое может служить гелий. Силы взаимодействия между атомами гелия настолько малы, что жидкий гелий, находящийся под давлением собственных насыщенных паров, не кристаллизуется вплоть до абс. нуля. При давлении в 90 атм гелий затвердевает при 3,12°К.
Образование той или иной структуры, т. е. той или иной конфигурации атомов при переходе вещества в твёрдое состояние, определяется не только требованиями термодинамики, но и кинетикой процесса. Только при достаточно медленном охлаждении расплава можно получить большой монокристалл (см.). Обычно образуются поликристаллические тела (см.); при очень быстром охлаждении вообще не происходит кристаллизации и вещество переходит в аморфное состояние (см.): в Т. т. сохраняется неупорядоченное расположение атомов, имевшее место в жидкости. Иногда переход в термодинамически устойчивое состояние путём медленной кристаллизации происходит уже в твёрдом состоянии (напр., в стёклах). В других случаях стабильность аморфной модификации настолько высока, что кристаллизации не происходит вовсе. Напр., ископаемые смолы (янтарь), образовавшиеся десятки миллионов лет назад, сохраняют аморфное строение.
Между кристаллическими и аморфными телами нет резкого качественного различия. Промежуточное положение занимают мелкодисперсные поликристаллы, причём рентгенографич. и электроногра-фич. исследования показали, что к числу их принадлежат многие тела, считавшиеся ранее аморфными (напр., аморфный углерод). Установлено также, что в аморфных телах расположение атомов не является вполне хаотическим. В них имеется определённая упорядоченность в расположении близлежащих атомов (ближний порядок) и отсутствует лишь типичная для монокристаллов периодичность повторения элементарной группы атомов на больших расстояниях (дальний порядок). Сказанное поясняет рис. 1, схематически изображающие расположение атомов кислорода и кремния в кристаллическом и
Рис. 1. Схематическое изображение строения кристалличе-
аморфном плавленном окого ((йева) и - аморфного кварце. Дальний по- (справа) кварца,
рядок в решётке монокристаллов является причиной анизотропии их свойств. Вследствие беспорядочной взаимной ориентации отдельных кристалликов в поликристаллич. телах, последние, подобно аморфным телам, изотропны. Разрушение кристаллич. решётки при плавлении сопровождается скачкообразным изменением свойств вещества. В частности, в точке плавления кристаллы обладают бесконечно большой теплоёмкостью: при плавлении происходит поглощение тепла без повышения температуры тела. За счёт этой, т. н. скрытой, теплоты плавления совершается работа разрушения

 

1 10 20 30 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660


Большая Советская Энциклопедия Второе издание