ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Предметомфизики 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 П_min и kТ. Здесь П_min — наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул, kТ – тепловая энергия молекул.

Если:

П_min << kТ — газ,

П_min ≈ kТ — жидкость,

П_min >> 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 Т_п, соответствующая точке перегиба П, называется температурой размягчения аморфного тела (см. рис. 1.1).

T

Т_п

Рисунок 1.1 – Зависимость температуры Т тела от количества полученной им теплоты Q

Кристаллические тела характеризуются регулярностью внутреннего расположения атомов, при этом наблюдается «дальнийпорядок». Свойства кристаллических тел:

– способность самоограняться;

– анизотропия тепловых, электрических, оптических, механических и других свойств;

– фиксированная температура плавления Т_пл  (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.

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ