Предмет физики твердого тела
Предметом физики твердого тела (ТТ) является изучение состава твердых тел, их атомно-электронной структуры, установление зависимости между составом и структурой и различными физическими свойствами, в первую очередь, кристаллических материалов.
Известно, что вещества в природе могут находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.
Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение величин Пmin и kТ. Здесь Пmin — наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул, kТ – тепловая энергия молекул.
Если:
Пmin << kТ — газ,
Пmin ≈ kТ — жидкость,
Пmin >> kТ — твердое состояние.
Твердые тела обладают упругостью формы, т.е. твердое тело обладает способностью сохранять (при неизменной температуре и давлении) свою форму и размеры.
Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.
Аморфные тела можно рассматривать как переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Оказывается, у аморфных тел можно наблюдать слабо выраженное свойство текучести. Аморфные тела по некоторым свойствам и по строению ближе подходят к жидкости, т.е. в аморфных телах наблюдается «ближний порядок» в расположении атомов. Это приводит к значительной изотропности свойств таких тел. При нагревании аморфных тел нет ярко выраженной температуры плавления, их вязкость уменьшается постепенно, т.е. удельная теплота плавления у аморфных тел отсутствует. Температура Тп, соответствующая точке перегиба П, называется температурой размягчения аморфного тела (см. рис. 1.1).
T
Ж Кристаллическое
тело
плавление
Т
ТТ
Амфорное тело П
(точка перегиба)
пл
Тп
Q
Рисунок 1.1 – Зависимость температуры Т тела от количества полученной им теплоты Q
Кристаллические тела характеризуются регулярностью внутреннего расположения атомов, при этом наблюдается «дальний порядок». Свойства кристаллических тел:
способность самоограняться;
анизотропия тепловых, электрических, оптических, механических и других свойств;
фиксированная температура плавления Тпл (см.рис.1.1).
Отметим, что структуры с упорядоченным расположением атомов обладают более низкой энергией и поэтому более устойчивы, чем при хаотическом расположении атомов.
Кристаллическое состояние — это равновесное, наиболее устойчивое состояние твердого тела.
Аморфное вещество самопроизвольно переходит в кристаллическое, однако противоположный процесс никогда не наблюдается.
По типу химических связей кристаллы классифицируются на ионные, ковалентные, металлические, молекулярные и кристаллы с водородными связями.
Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым. Жидкость, подобно ТТ, обладает определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда. Характер расположения частиц жидкости промежуточный между газом и ТТ. В жидкостях имеет место «ближний порядок» в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение повторяется на расстояниях, сравнимых с межатомными. Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я.И.Френкелю: каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение.
Полимеры — органические аморфные тела, молекулы которых состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими (валентными) связями.
К полимерам относятся естественные и искусственные органические вещества. Полимеры обладают прочностью и эластичностью. Это объясняется тем, что длинные молекулярные цепочки могут при деформации либо сворачиваться в плотные клубки, либо вытягиваться в прямые линии. Эластичность полимеров проявляется только в определенном интервале температур, ниже которого они становятся твердыми и хрупкими, а выше — пластичными.
Теория полимеров до настоящего времени полностью не разработана.