Твердое тело

Файл: Glass 1.jpg Твердое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы в отличие от других агрегатных состояний жидкости и газа. Атомы твердых тел большинство времени проводят в окрестности определенных положений равновесия, совершая незначительные тепловые колебания.
По типу упорядочения атомов различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы характеризуются наличием пространственной периодичности в расположении равновесных положений атомов, т.е. наличием кристаллической решетки. Атомы аморфных твердых тел колеблются вблизи неупорядоченно расположенных точек.
По типу связи между атомами различают твердые тела с ковалентной, ионной, металлическим связями и т.д.
Электрические, магнитные и некоторые другие свойства твердых тел определяются главным образом характером движения валентных электронов его атомов. В связи с этим твердые тела делятся по электрическим свойствам на диэлектрики, полупроводники, металлы, сегнетоэлектрики; по магнитным – на диамагнетиков, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики.
Твердые тела изучают отдельная область физики – физика твердого тела, химии – химия твердого тела, материаловедение.
В механике абсолютно твердое тело – идеализированный объект, под которым понимают тело с постоянными расстояниями между его точками.
При повышении температуры твердые тела переходят в жидкое или газообразное состояние. Переход твердого тела в жидкость называется плавлением, а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, – сублимацией. Переход к твердого тела (при снижении температуры) – кристаллизация, к аморфной фазы – стеклования.
Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твердых тел, становясь упорядоченный при понижении температуры.
Под физическими свойствами твердых тел понимается их специфическое поведение при воздействии определенных сил и полей. Существует три основных способа воздействия на твердые тела, соответствующие трем основным видам энергии: механический, термический и электромагнитный. Соответственно выделяют три основных группы физических свойств.
Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, которые согласно результатам широких исследований механических и реологических свойств твердых тел, выполненных школой академика П. А. Ребиндера, можно разделить на упругие, прочностные, реологические и технологические. Кроме того, при воздействии на твердые тела жидкостей или газов проявляются их гидравлические и газодинамические свойства.
К термическим относят свойства, которые оказываются под воздействием тепловых полей. К электромагнитных свойств условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твердое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости (рентгеновских, гамма-лучи).
Механические свойства
Всего сохраняя форму, твердые тела деформируются под воздействием внешних сил. В зависимости от величины приложенной силы деформация может быть упругой, пластической или разрушительной. При упругой деформации тело возвращает себе первоначальную форму после снятия приложенных сил. Отзыв твердого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости. Отличительной особенностью твердого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется то только растяжения и сжатию, а также смещения, сгиба и кручению.
При пластической деформации начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твердое тело может деформироваться упруго при коротокочасний действия, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью. Одной из характеристик деформации является твердость тела – способность сопротивляться проникновению в него других тел.
Каждое твердое тело имеет свойственный ему порог деформации, после которой наступает разрушение. Свойство твердого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твердом теле появляются и распространяются трещины, которые впоследствии приводят к разлому.
К механическим свойствам твердого тела принадлежит также его способность проводититы звук, который является волной переносит локальную деформацию из одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов в твердом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твердого тела деформации сдвига. Скорость звука в твердых телах целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомного взаимодействия намного сильнее. Скорость звука в кристаллических твердых телах характеризуется анизотропией, т.е. зависимости от направления распространения.
Тепловые свойства
Важнейшей тепловой свойством твердого тела является температура плавления – температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления есть скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твердых тел переход до жидкого состояния с повышением температуры происходит постепенно. Его характеризуют температурой стеклования – температурой, выше которой материал почти полностью теряет упругость и становится очень пластичным.
Изменение температуры вызывает деформацию твердого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественная она характеризуется коэффициентом теплового расширения. Теплоемкость твердого тела зависит от температуры, особенно при низких температурах, однако в области комнатных температур и выше, многие твердых тела имеют примерно постоянную теплоемкость (закон Дюлонга-Пти). Переход к устойчивой зависимости теплоемкости от температуры происходит при характерной для каждого материала температуре Дебая. От температуры зависят также другие характеристики твердотельных материалов, в частности механические: пластичность, текучесть, прочность, твердость.
Электрические и магнитные свойства
В зависимости от величины удельного сопротивления твердые тела делятся на проводники и диэлектрики, промежуточное положение между которыми занимают полупроводники. Полупроводники имеют малую электропроводность, однако для них характерно ее рост с температурой. Электрические свойства твердых тел связаны с их электронной структурой. Для диэлектриков свойственна щель в энергетическом спектре электронов, которую в случае кристаллических твердых тел называют запрещенной зоной. Это область значений энергии, электроны в твердом теле не могут иметь. В диэлектриков все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципу Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлена отсутствие проводимости. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей – акцепторов и доноров.
Существует определенный класс твердых тел, для которых характерна ионная проводимость. Эти материалы называют суперионикамы. В основном это ионные кристаллы, в которых ионы одного сорта могут достаточно свободно двигаться между незыблемой решеткой ионов другого сорта.
При низких температурах для некоторых твердых тел свойственна сверхпроводимость – способность проводить электрический ток без сопротивления.
Существует класс твердых тел, которые могут иметь спонтанную поляризацию – пироэлектрик. Если это свойство характерно только для одной из фаз, существующая в определенном промежутке температур, то такие материалы называются сегнетоэлектриками. Для пьезоэлектриков характерный сильная связь между поляризацией и механической деформацией.
Ферромагнетика свойственно существование спонтанного магнитного момента.
Оптические свойства твердых тел очень разнообразны. Металлы основном имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, многие диэлектриков прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твердого тела обусловлен погинанням света примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость – увеличение электропроводности при освещении.