| 8695912 9216 5224 943 1щих малые колебания около положений равновесия. Наряду с кристаллич. состоянием Т. т. (см. Кристаллы) существует аморфное состояние, в т. ч. стеклообразное состояние. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует (см. Дальний порядок и ближний порядок).
Согласно законам классич. физики, применимым к большинству Т. т., наинизшему энергетич. состоянию системы атомных частиц (атомов, ионов, молекул) соответствует периодич. расположение одинаковых групп частиц, т. е. кристаллич. структура. Поэтому с термодинамич. точки зрения аморфное состояние не является равновесным и с течением времени должно закристаллизоваться. Однако в обычных условиях это время может быть столь велико, что неравновссность не проявляется и аморфное тело практически устойчиво. Между кристаллич. Т. т. и жидкостью есть качественное различие (наличие у кристалла и отсутствие у жидкости дальнего порядка в расположении атомов). Между аморфным Т. т. и жидкостью различие только количественное: аморфное Т. т. можно рассматривать как жидкость с очень большой вязкостью (к-рую часто можно считать бесконечно большой).
Понятие "Т. т.", как и понятие "жидкость", имеет характер идеализации (модельности), точнее было бы говорить о "твердотельных" и "жидкостных" свойствах конденсированной среды. Напр., с точки зрения упругих свойств твёрдым следует считать тело с отличным от 0 статич. модулем сдвига в (у жидкости O = 0). При рассмотрении пластич. свойств твёрдым следует считать тело, необратимо деформируемое лишь при конечном надпороговом напряжении (у жидкостей, даже очень вязких, типа смол, пороговое напряжение необратимой деформации равно 0).
Все вещества в природе затвердевают при атм. давлении и темп-ре Т > 0 К, за исключением Не, к-рый остаётся жидким при атм. давлении вплоть до Т = = 0 К. Для кристаллизации Не необходимо давление 24 атм (при Т= 1,5 К). Это уникальное свойство Не находит объяснение в квантовой теории T. т. и жидкостей (см. Гелий, Квантовая жидкость).
При исследовании твёрдых растворов изотопов гелия (под давлением) обнаружено особое состояние вещества, занимающее промежуточное положение между кристаллом и квантовой жидкостью. Оно получило назв. квантового кристалла. У обычных кристаллов волновые свойства атомов приводят к существованию колебаний кристаллической решётки при Т = 0 К, у квантовых жидкостей эти свойства полностью разрушают кристаллич. структуру, а у квантовых кристаллов волновые свойства атомов, сохраняя выделенность узлов кристаллич. решётки, допускают их перемещение (с узла на узел).
Т. т.- осн. материал, используемый человеком. От кремнёвых орудий неандертальца до совр. машин и механизмов - во всех технич. приспособлениях, созданных человеком, используются различные свойства Т. т. Если на ранних ступенях развития цивилизации использовались механич. свойства Т. т., к-рые непосредственно ощутимы человеком (твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость и т.п.), и Т. т. применялось лишь как конструкционный материал, то в совр. обществе используется огромный арсенал физ. свойств Т. т. (электрических, магнитных, тепловых и др.), как правило, не доступных непосредственному человеческому восприятию и обнаруживаемых только при лабораторных исследованиях.
Все свойства Т. т. могут быть поняты на основе знания его атомно-молекулярного строения, законов движения атомных (атомов, ионов, молекул) и субатомных (электронов, атомных ядер) частиц. Исследование свойств Т. т. и движения частиц в нём объединилось в большую область совр. физики - физику Т.т., развитие к-рой стимулируется потребностями практики, гл. обр. техники. Физика Т. т. обладает специфич. методами исследования, руководящими идеями, использует определённый (часто изощрённый) математич. аппарат. Оставаясь частью физики, физика Т. т. выделилась в самостоятельную науч. дисциплину. Это проявляется, напр., в существовании большого числа специализированных научных журналов (в СССР "Физика твёрдого тела", "Физика металлов и металловедением, "Физика и техника полупроводников" и др.) и институтов (Ин-т физики твёрдого тела АН СССР и др.). Приблизительно 1/2 физиков мира работает в области физики Т. т. и почти 1/2 всех науч. физ. публикаций относится к исследованию Т. т.
Квантовые представления в физике Т. т. Объяснение свойств Т. т. возможно лишь на основе квантовой механики. Квантовая теория кристаллов разработана весьма подробно, квантовая теория аморфных тел - слабее. Одним из гл. результатов квантового подхода к исследованию свойств кристаллич. Т. т. явилась концепция квазичастиц. Энергию кристалла вблизи основного состояния можно представить в виде суммы элементарных возбуждений, суммы энергий отд. квазичастиц. Это позволяет ввести понятие "газа квазичастиц" и для исследования тепловых, магнитных и др. свойств Т. т. использовать методы квантовой физики газов. Макроскопич. характеристики Т. т. при этом выражаются через характеристики квазичастиц (длина пробега, скорость, эффективная масса и т. п., см. ниже). Элементарные движения в аморфных телах значительно сложнее, чем в кристаллах. Поэтому не удаётся ввести наглядные понятия (аналогичные квазичастицам) для описания возбуждённых состояний аморфных тел, однако структура плотности этих состояний выяснена.
Можно сформулировать неск. характерных особенностей Т. т. как физич. объектов, состоящих из огромного (макроскопического) числа атомных частиц и электронов. 1) Атомы, молекулы и ионы - структурные единицы Т. т., т. е. энергия взаимодействия между ними мала по сравнению с энергией, к-рую надо затратить на разрушение самой структурной единицы (молекулы на атомы, атома на ион и электроны, атомного ядра на нуклоны). Однако энергия их взаимодействия велика по сравнению с энергией их теплового движения (в газах - обратное соотношение). В тех случаях, когда энергия теплового движения оказывается порядка или больше энергии взаимодействия между структурными единицами, в Т. т. происходит перестройка структуры (фазовый переход), приводящая к понижению свободной энергии системы (см. Термодинамика). 2) Согласно классич. законам, средняя энергия теплового движения частицы v kТ и энергия возбуждения Т. т. xNkT, где N - число частиц, составляющих Т. т. Уменьшение энергии Т. т. с понижением его темп-ры идёт быстрее, чем предусматривает классич. физика: дискретный (квантовый) характер энергетич. спектра Т. т. приводит к "вымораживанию" движений при Т-"0 К, причём чем больше расстояние между г/ровнями энергии, тем при более высокой темп-ре "вымерзает" соответствующее движение. Поэтому различные движения в Т. т. существенны при различных темп-рах. 3) В кристаллич. Т. т. возможны статические возбуждённые состояния: частицы располагаются не совсем так, как им "положено" из соображений минимума энергии. Неправильное расположение атома или его отсутствие (см. Дефекты в кристаллах) приводят к большому повышению энергии взаимодействия атомов вблизи дефекта, однако в устойчивом состоянии неправильно расположенных атомов сравнительно мало. Аморфное тело, энергия к-рого больше, чем энергия соответствующего кристалла, как правило, устойчиво (метастабильно) из-за больших потенциальных барьеров (следствие ближнего порядка), отделяющих метастабильные положения атомов от стабильных. 4) Разнообразие сил, действующих между частицами, составляющими Т. т., приводит к тому, что в кристаллах при определённых условиях могут проявляться свойства газов, жидкостей, плазмы. Напр., ферромагнетик при Т = ОК -упорядоченная система ориентированных атомных магнитных моментов. При повышении темп-ры эта строгая ориентация нарушается тепловым движением, а при Т = Тс (Кюри точка) полностью исчезает и T. т. переходит в парамагнитное состояние. Величина Тс связана с энергией 17л взаимодействия между соседними магнитными моментами соотношением: kTc ~ Uм. При Т 2> Тс атомные магнитные моменты ведут себя, как "газ магнитных стрело к", напр. магнитная восприимчивость твёрдого парамагнетика имеет ту же температурную зависимость, что и газообразного (см. ниже). Др. пример: металл можно рассматривать как ионный остов, погружённый в электронную жидкость. Благодаря устойчивому положению ионов металл является Т. т., но часть электронов в нём не связана с определёнными узлами кристаллич. решётки,' это -электроны проводимости. Их взаимодействие друг с другом сближает свойства совокупности электронов проводимости металлов со свойствами квантовой жидкости. В нек-рых случаях (напр., под воздействием электромагнитного поля высокой частоты, к-рая превышает частоту столкновений электронов) электронная жидкость в проводниках ведёт себя, как плазма (см. Плазма твёрдых тел). 5) Движения атомных частиц в Т. т. весьма разнообразны и проявляются в различных свойствах Т. т. Все движения можно разбить на 3 типа: а) диффузия собственных или чужеродных атомов. Элементарный акт диффузии -флуктуационное перемещение атома из занятого им положения в соседнее - свободное. Как правило, время "оседлой" жизни атома значительно больше, чем время перемещения - атом совершает редкие случайные скачки, вероятность к-рых возрастает с ростом темп-ры. Диффузионное перемещение - сравнительно |
