Долгое время казалось, что самое интересное в Физике - это исследования микромира и микрокосмоса. Именно там пытались найти ответы на наболее важные, фундаментальные вопросы, объясниющие устройство окружающего мира. А сейчас образовался третий фронт исследований - изучение твёрдых тел.
Почему же так важно исследовать твёрдые тела?
Огромную роль, конечно, играет сдесь практическая деятельность человека. Твёрдые тела - это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это - полупроводники, лежащии в основе современной электроники, магниты, сверх проводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твёрдых тел.
Но не только практическая сторона дела важна при их изучении. Сама внутренняя логика развития науки - физики твёрдого тела - привела к пониманию важного значения коллективных свойств больших систем.
Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системме и особых свойств всего количества микрочастиц.Так, коллективные свойства эллектронов определяют электропроводность твёрдый тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных коллебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерноести поведения твёрдых тел.
Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее из можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.
Рис. 1
Кристаллы - это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы (рис. 1). Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. Строгая периодичность в расположении атомов приводит к сохранению порядка на больших расстояниях (в таком случае говорят, что имеется дальний порядок). А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического твёрдого тела - льда.
Однако, правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное - это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Прежде всего бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому что кристаллическая решётка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных сеток, состоящих из атомов углерода. Атомы распологаются в вершинах правельных шестиугольников. Расстояние между слоями сравнительно велико - примерное в два раза больше, чем длина стороны шестиугольника, поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл кварца по разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.
Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.
Кристалическую структуру имеют металлы. Именно металлы преимуществено используются в настоящее время для изготовления орудий труда, различных машин и механизмов.
Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристалическая структура никак не проявляется ни во внешнем виде куска ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.
Дело здесь в том, что металл обычно состоит из огромного количества сросшихся друг с другом кристаликов. Под микроскопом или даже с помощью лупы их нетрудно рассмотреть, особенно на свежем изломе металла.Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированны по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объёме, значительно превышающем объём отдельных кристалликов все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.
Твёрдое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют монокристаллами.
Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров - монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.
К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, также имеет поликристаллическую структуру.
Большинство кристаллических тел - поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).
Не все твёрдые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел. Чем они отличаются от кристаллов?
У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи распологаются в некотором порядке. Но строгой направляемости по все направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристалическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристалической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из привильных шестиугольников. Аморфная структуракварца также имеет вид решётки, но нерпвельной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.
В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обволял их в меловой пудре и спресовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определённо есть.
Свойства Аморфных тел. Все аморфные тела изотропны, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно фидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски.Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Проследим за куском смолы, который лежит на гладкой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и , чем выше темпереатура смолы, тем быстрее это происходит.
Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определённое время “осёдлой жизни” - время колебаний около положения равновесия. Но в отличае от жидкостей это время у них весьма велико. Так, для вара при t = 20oC время “осёдлой жизни” 0,1 с. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенноучащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличае от кристаллических, нет.
Физика твёрдого тела. Чёловечество всегда использовало и будет использовать твёрдые тела. Но если раньше физика твёрдого тела отставала от развития технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение переменилось. Теорретические исследования приводят к созданию твёрдых тел, своёства которых совершенно необычны. Получить такие тела методом проб и ошибок было бы невозможно. Сохздание транзисторов, о которых пойдёт речь в дальнейшем, - яркий пример того, как понимание структуры твёрдых тел привело к революции во всей радиотехнике.
Получение материаллов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами - одно из основных направлений современной физики твёрдого тела.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или моллекулы распологаются в относительном порядке. Понимание структуры твёрдых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданны