Глава 11. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
«Материю и движение можно познать лишь путем изучения отдельных веществ и отдельных форм движения».
Ф. Энгельс. Диалектика природы
11.1. Общие положения
Вещество - вид материи, которая обладает массой покоя. В конечном счете вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю,- в основном из протонов, нейтронов и электронных оболочек атомов.
Все вещества, независимо от их состояния, обладают некоторыми общими параметрами - удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, температуропроводностью, коэффициентом температурного расширения, электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий - состояния окружающей вещество среды.
В классической физике вещество отделяют от поля, которое объявлено «особым состоянием материи», что никак не проясняет ни характера поля, ни его взаимоотношения с веществом. Квантовая теория поля считает частицы вещества «особыми точками» поля, что также не проясняет ситуации.
Взаимодействие веществ осуществляется с помощью силовых полей взаимодействий. Все силовые поля взаимодействий имеют своим источником вещество, именно свойства вещества определяют в конечном счете все физические явления в природе. Поэтому изучение основных свойств вещества становится необходимым для понимания процессов природы.
Каждое вещество (физическое тело) может находиться в одном из четырех состояний - твердом, жидком, газообразном и плазменном.
Твердыми веществами называются тела, отличающиеся постоянством формы и объема. Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.
Жидкостями называют тела, которые имеют определенный объем, но не имеют упругости формы.
Газами называются тела, в которых силы отталкивания молекул превышают силы межмолекулярного взаимодействия и в которых молекулы движутся свободно, занимая весь предоставленный объем.
Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
11.2. Твердые вещества
11.2. Твердые вещества
11.2.1. Основные понятия
Твердое тело - основной материал, используемый человеком. От кремневых орудий неандертальца до современных машин и механизмов, во всех технических приспособлениях, созданных человеком, используются различные свойства твердых тел. Если на ранних ступенях развития цивилизации использовались механические свойства твердых тел, которые непосредственно ощутимы человеком, -твердость, масса, пластичность, упругость, хрупкость и т.п., и твердые тела применялись лишь как конструктивный материал, то в современных технологиях используется огромный арсенал физических свойств твердых тел - электрических, магнитных, тепловых и т.д., как правило, недоступных непосредственному человеческому восприятию и обнаруживаемых только при лабораторных исследованиях.
В развитии теории твердого тела в истории физики не было особых споров и потрясений, как это имело место при становлении других разделов физики. Это можно объяснить тем, что свойства твердых тел определялись не столько на основе умозрительных теорий, сколько являлись следствием опытного изучения многочисленных веществ, считавшихся твердыми телами. Однако необходимо отметить ряд исследователей, блогодаря трудам которых набран громадный экспериментальный материал по свойствам разнообразных твердых тел и была создана достаточно стройная теория твердого тела.
В 1660 г. английским физиком Робертом Гуком был сформулирован основной закон, выражающий связь между напряженным состоянием и деформацией упругого тела. Закон был установлен для простейшего случая растяжения или сжатия стержня, но затем он был распространен на произвольную форму образцов и на все виды деформаций.
Значительно позже, уже в XIX столетии францусский инженер Габриэль Ламе, много лет проработавший в Петербурге, внес существенный вклад в теорию упругости, определив связь нормальных и касательных напряжений с компонентами деформаций.
Весьма значительную роль в понимании структуры твердого тела сыграло открытие в 1873 году голландским физиком Ван-дер-Ваальсом межмолекулярных сил, объединяющих атомы и молекулы твердого тела в единую структуру.
В настоящее время примерно половина всех физиков мира работает в области твердого тела, и теория твердого тела представляет собой весьма разветвленное учение.
Наряду с кристаллическим состоянием твердого тела существует аморфное состояние, в том числе стеклообразное состояние. Кристаллы характеризуются дальним порядком расположения атомов, в аморфных телах дальний порядок отсутствует. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень
