234
Глава 11■ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
большой вязкостью. Принципиально аморфное состояние должно рано или поздно переходить в кристаллическое.
Все свойства твердого тела могут быть поняты на основе знания его атомномолекулярного строения, законов движения атомных (атомов, ионов и молекул) и субатомных (электронов, атомных ядер) частиц. Физика твердого тела выделилась в самостоятельную научную дисциплину.
Механические свойства твердых тел - реакции на внешние механические воздействия - сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д., определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механических свойств - одни тела пластичны, другие хрупки. Обычно металлы более пластичны, чем диэлектрики. При небольших статических нагрузках у всех твердых тел наблюдается линейное соотношение между напряжением и деформацией. Механические свойства твердых тел зависят от наличия дефектов и дислокаций, а также от их обработки, вносящей или устраняющей дефекты - отжиг, закалка, легирование и пр. Механические свойства многих материалов существенно зависят от внесенных в них примесей, процентное содержание которых может быть очень небольшим (доли процентов), но которые могут изменить механические свойства материалов, например упругость или прочность на разрыв, во много раз. Механические свойства твердых тел - основа их инженерного применения как конструкционных материалов.
С точки зрения электрических характеристик все твердые тела необходимо разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. Металлы (проводники) обладают высокой проводимостью порядка 1016 Сименс/м (сопротивлением порядка 10'16 Ом/м ), полупроводники - порядка единиц Сименс/м (сопротивлением порядка единиц Ом/м ), изоляторы обладают высоким сопротивлением порядка 1016 Ом/м3 .
С точки зрения магнитных свойств все твердые тела необходимо разделить на диамагнетики, у которых намагниченность направлена встречно внешнему намагничивающему полю (азот, водород, германий, кремний, соль, вода, фосфор, висмут, медь, золото, серебро, многие органические и неорганические соединения), и на парамагнетики, у которых намагниченность направлена по полю (алюминий, литий, натрий, калий и т.д.). Диамагнетики отталкиваются от полюсов магнита, а парамагнетики притягиваются. Но при снятии магнитного поля и те, и другие собственным полем не обладают. Им обладают ферромагнетики и антиферромагнетики, которые после снятия магнитного поля сохраняют свой магнитную структуру.
Ферромагнетики (железо, кобальт, никель и пр.) намагничиваются по полю и усиливают его, а антиферромагнетики (некоторые редкоземельные элементы, окислы и соединения некоторых ферромагнетиков) намагничиваются против поля и ослабляют его.
11.2.2. Твердые кристаллические вещества
Кристаллы - твердые тела, имеющие правильное периодическое расположение составляющих их частиц. Кристаллы ограничены плоскими, упорядоченно расположенными друг относительно друга гранями, сходящимися в ребрах и вершинах. При температуре ниже точки кристаллизации кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел.
Монокристаллы имеют форму правильных многогранников, обусловленную их химическим составом. Большинство твердых тел - поликристаллов - имеет мелкокристаллическую структуру, т.е. состоит из большого числа сросшихся, мелких, хаотически расположенных кристаллов - кристаллических зерен, кристаллитов.
Кристаллы имеют симметрию, состоящую в том, что любому заданному направлению в кристалле соответствует одно или несколько направлений, которые в отношении рассматриваемых свойств являются совершенно одинаковыми. Симметрия кристаллов исследуется с помощью симметрических преобразований (операций совмещения), в результате которых кристалл совпадает сам с собой в различных положениях. Простейшими операциями совмещения являются поворот, отражение, трансляция - параллельное смещение.
Различают скалярные, векторные и тензорные физические свойства кристаллов.
Скалярные свойства (плотность, теплоемкость и др.) однозначно определяются заданием численных значений соответствующих физических величин.
Векторные свойства (теплопроводность, электрическое сопротивление и др.) определяются заданием значений физических величин по каждому из трех направлений основных координатных осей кристалла.
Тензорные свойства определяются заданием их значений по более чем трем направлениям в кристалле (относительная диэлектрическая проницаемость, упругие свойства и т.д.).
По характеру сил взаимодействий, типу связи и тому, какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки, различаются следующие типы твердых тел.
а) Металлы (Na, Fe и др.). При сближении атомов, находящихся в начале каждого периода таблицы Менделеева, валентные электроны покидают свои атомы и становятся обобществленными, образуя электронный газ в металлах. Металлическая связь в решетке возникает между положительными ионами и электронным газом.
б) Ионные кристаллы (NaCl, LiF, окислы металлов, сульфиды, карбиды, селениды и др.) характеризуются ионной связью между правильно чередующимися в узлах кристаллической решетки положительными и отрицательными ионами. При высоких температурах обнаруживают значительную ионную проводимость.
в) Валентные атомные кристаллы (С, Ge, Те и др.) характерно! для кристаллических решеток полупроводников многих органических твердых тел. Хи
