Международный студенческий форум 2014 с 23 по 27 апреля!
Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий
Система Orphus
размещение рекламы

ТВЕРДОЕ ТЕЛО

ТВЕРДОЕ ТЕЛО, агрегатное состояние в-ва, отличит. признаками к-рого при нормальных условиях являются устойчивость формы и характер теплового движения структурных единиц твердого тела (атомов, ионов, молекул), совершающих малые колебания относительно нек-рых фиксир. положений равновесия.

Св-ва твердого тела определяются их хим. составом и зависят от характера межатомных связей, типа кристаллич. структуры и степени структурного совершенства, а также от фазового состава. В зависимости от кол-ва образующих их элементов твердые тела можно подразделить на простые (однокомпонентные) и сложные (многокомпонентные), к-рые, в свою очередь, могут представлять собой хим. соединения (неорг. или орг.) либо твердые растворы разл. типа (замещения, внедрения).

Межатомные связи в твердых телах осуществляются в результате взаимод. атомов (ионов) и валентных электронов, связь между атомами м. б. ионной, ковалентной, металлич. (см. Химическая связь), а также ван-дер-ваальсовой, водородной. Для многих твердых тел характерен смешанный тип хим. связи.

Твердые тела бывают кристаллич. и аморфные. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц, симметрией кристаллич. решетки (св-вом отдельных узлов решетки совмещаться при транс-ляц. перемещении). Совокупность отдельных узлов решетки образует т. наз. решетку Браве (см. Кристаллы, Кристаллическая структура).

Кристаллические твердые тела могут быть в виде монокристаллов или поликристаллов. В большинстве областей техники используют поликристаллические твердые тела, монокристаллы находят применение в электронике, произ-ве оптич. приборов, ювелирных изделий и т. д. Структурно-чувствит. св-ва твердых тел, связанные с перемещением частиц и квазичастиц, а также магнитных и электрич. доменов и др. существенно зависят от типа и концентрации дефектов кристаллич. решетки. Равновесные собств. точечные дефекты (напр., вакансии, межузельные атомы) термодинамически обусловлены и играют важную роль в процессах диффузии и самодиффузии в твердых телах. Это используется в процессах гомогенизации, рекристаллизации, легирования и др. Ряд практически важных св-в твердых тел зависит от др. видов структурных дефектов, имеющихся в кристаллах,-дислокаций, малоугловых и межзеренных границ, включений и т.д.

Для аморфного состояния твердого тела характерно наличие только ближнего порядка; оно термодинамически неустойчиво, однако при обычных т-рах переход в кристаллич. состояние обычно не реализуется и может осуществляться лишь при нагреве. Аморфные твердые тела, в отличие от большинства кристаллических, изотропны.

По фазовому составу твердые тела разделяются на однофазные и многофазные. Форма и распределение фазовых составляющих могут оказывать сильное влияние на разл. св-ва многофазных твердых тел. К наиб. важным в практич. отношении св-вам твердых тел относят мех., электрич., тепловые, магнитные, оптические.

Механические свойства твердых тел -упругость, пластичность (см. Реология), твердость, хрупкость, прочность-характеризуют их способность сопротивляться деформации и разрушению при воздействии внеш. напряжений. Для большинства твердых тел (за исключением нек-рых полимерных материалов типа каучука) упругая деформация линейно зависит от величины приложенных напряжений (Гука закон). В монокристаллах и текстурир. поликристаллах упругая деформация анизотропна. Твердые тела с металлич. типом хим. связи обычно более пластичны в сравнении с твердыми телами, имеющими ионный тип связи, и в большинстве случаев при больших напряжениях испытывают вязкое разрушение (тогда как вторые - обычно хрупкое). Пластичность твердых тел возрастает с повышением т-ры.

Электрич. св-ва твердых тел, как и многие др. физ. св-ва, объясняются на основе квантовомех. представлений, приведших к разработке зонной теории. Эта теория описывает энергетич. спектр электронов, движущихся в периодич. поле кристаллич. решетки. В результате сближения изолир. атомов при образовании твердого тела их электронные оболочки перекрываются и дискретные энергетич. уровни электронов атома расщепляются на ряд близко расположенных уровней с квазинепрерывным энергетич. спектром, образуя таким образом зоны разрешенных энергий, или разрешенные зоны. Эти зоны м.б. разделены зонами запрещенных энергий (запрещенные зоны), но могут и перекрываться, если в изолир. атомах расстояния между соответствующими уровнями малы. Ширина разрешенной зоны тем больше, чем больше расщепление уровня, т.е. чем слабее электрон связан с ядром.

Количеств. оценку энергетич. спектра электронов в кристалле получают на основе приближенного решения ур-ния Шрёдингера. Если принять, что перекрывание волновых ф-ций электронов происходит лишь для соседних атомов кристалла, для одномерного случая зависимость энергии электрона Еэ от волнового вектора электрона к описывается выражением вида: Еэ = ђ2к2/2т, где ђ-постоянная Планка, m-масса электрона, к = 2p/l, l-длина волны электрона. Для трехмерного случая пользуются проекциями волнового вектора на оси координат: кхуz. Границы разрешенных энергетич. зон определяют исходя из представлений о дифракции электронов, движущихся в поле периодич. потенциала кристаллич. решетки. Условие отражения электронов от кристаллич. плоскостей описывается ур-нием Вульфа-Брэгга: nl = 2a sinq, где n = 1,2,3,..., a-период кристаллич. решетки, q-угол падения электрона на плоскость. Области значений к, в пределах к-рых энергия электронов изменяется непрерывно, а на границах претерпевает разрыв, наз. зонами Бриллюэна. Они определяют границы между разрешенными и запрещенными зонами энергий и лежат в пределах к = b np/a.

Заполнение разрешенных зон электронами в твердом теле происходит последовательно в порядке возрастания энергетич. уровней в зонах. Согласно принципу Паули для твердого тела, содержащего N атомов, в каждой энергетич. зоне могут находиться 2N электронов. Вероятность заполнения уровня с энергией E определяется соотношением Ферми-Дирака: f = 1/{1 + ехр[(E — EF)/kT]}, где k-константа Больцмана, EF-уровень Ферми-энергетич. уровень, вероятность заполнения к-рого при Т . 0 К равна 0,5 (м. б. интерпретирован как хим. потенциал электрона). Изоэнергетич. пов-сть, соответствующая ЕF, наз. Ферми-пов-стью. В зависимости от числа валентных электронов верхняя из заполненных зон (в а-лентная зона) м.б. занята полностью или частично. Степень заполнения валентной зоны электронами играет важную роль в формировании электрич. св-в твердых тел, т.к. электроны полностью заполненной зоны не переносят ток.

Зонная теория справедлива для кристаллических твердых тел. В случае аморфных твердых тел вследствие разупорядоченности их структуры разработка строгой теоретич. зонной модели сталкивается со значит. трудностями. Обычно оперируют понятием квазизапрещенных зон, разделяющих разрешенные зоны, края к-рых вследствие возмущений, вызванных структурной разупорядоченностью, в сравнении с кристаллическим твердым телом несколько сдвигаются и размываются.

Электрич. проводимость s твердых тел определяется в первую очередь характером заполнения электронами энергетич. зон (см. рис.). Твердые тела с металлич. типом хим. связи (металлы) характеризуются высокой степенью обобществления валентных электронов (электронов проводимости), перекрыванием разрешенных энергетич. зон и частичным заполнением разрешенных зон электронами. Такие твердые тела являются хорошими проводниками. В отличие от них полупроводники и диэлектрики при Т=0 К имеют полностью заполненные либо пустые, неперекрывающиеся, разрешенные зоны. Для диэлектриков характерны большие значения ширины запрещенной зоны DE между валентной (заполненной) и незаполненной зоной (зоной проводимости), вследствие чего в обычных условиях они практически не содержат своб. электронов и не проводят электрич. ток. Полупроводники, принципиально не отличаясь от диэлектриков по зонному строению, имеют меньшую ширину запрещенной зоны (условной границей между ними принято считать значение DE = 3 эВ). Вследствие теплового возбуждения при обычных т-рах часть валентных электронов переходит в зону проводимости (электроны проводимости), поэтому полупроводники, как правило, имеют промежуточную между металлами и диэлектриками s (10-84100-15.jpgs4100-16.jpg104 См·см-1). Известны т. наз. бесщелевые полупроводники с DE = 0. Твердые тела с аномально малым перекрытием разрешенных зон (напр., Sb, Bi) относят к полуметаллам.

4100-14.jpg

Схема заполнения зон в диэлектриках и полупроводниках (а), металлах (б)и полуметаллах (в).



В общем случае величина s твердого тела зависит от механизма рассеяния носителей заряда, к-рое может происходить на тепловых колебаниях атомов (ионов), нейтральных и заряженных собств. и примесных точечных дефектах, линейных, поверхностных и объемных дефектах кристаллич. решетки. В случае металлов s имеет электронную природу и подчиняется закону Ома. Для металлов характерно уменьшение s с т-рой. В отличие от металлов у полупроводников с повышением т-ры s увеличивается вследствие значит. возрастания концентрации своб. носителей заряда. В диэлектриках осн. носители заряда-ионы, вследствие чего s сопровождается переносом в-ва. Электронная проводимость диэлектриков возникает лишь при высоких электрич. напряжениях, близких к пороговым и соответствующих пробою. Как и в полупроводниках, s возрастает с повышением т-ры.

При низких т-рах вблизи 0 К мн. металлынеметаллы) переходят в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводники), к-рое проявляется в полной потере электрич. сопротивления, а также в аномальных магн. св-вах. Такой переход связан с электрон-фононным взаимодействием. Для твердых тел s может изменяться и под действием др. внеш. воздействий (напр., давления, облучений). В наиб. степени к этим воздействиям чувствительны полупроводники, благодаря чему их используют для изготовления разл. датчиков.

Важная характеристика диэлектриков-диэлектрич. проницаемость e, характеризующая ослабление силы электро-статич. взаимодействия зарядов в диэлектрике в сравнении с вакуумом. Она связана с поляризацией твердых тел при приложении внеш. электрич. поля. Для нек-рых диэлектриков характерно возникновение спонтанной поляризации (см. Сегнето-электрики). Возможно также возникновение поляризации под действием упругой деформации, вызывающее пьезоэф-фект, противоположное явление - обратный пьезоэффект (см. Пьезоэлектрики). Указанные эффекты лежат в основе практич. использования соответствующих диэлектриков в пьезотехнике, акустоэлектронике.

Тепловые св-ва твердых тел (см. Теплообмен) находят объяснение на основе динамич. теории кристаллич. решеток, в соответствии с к-рой решетка представляет совокупность связанных квантовых осцилляторов разл. частоты. Квант колебат. энергии представляется в виде фонона-квазичастицы, соответствующей волне смещения атомов (ионов) и молекул кристалла из положений равновесия. Энергия фонона Eф = ђv, его импульс p = ђq, где v-частота колебаний, q-волновой вектор акустич. волны, соответствующей данному фонону. Среднее число фононов с энергией Еф изменяется с т-рой в соответствии со статистикой Бозе-Эйнштейна:4100-17.jpgИз энергий фононов складывается общая тепловая энергия твердого тела (за исключением энергии, к-рой оно может обладать при О К). Фононы взаимод. между собой, с др. частицами и квазичастицами, а также с дефектами кристаллич. решетки твердого тела. Вследствие этого они часто играют роль внутр. термостата, поглощая избыточную энергию возбужденных частиц и квазичастиц в процессах релаксации. Макроскопич. св-ва твердых тел описываются на основе представлений о газе фононов. Для аморфных твердых тел понятие фонона удается ввести только для низкочастотных акустич. колебаний, слабочувствительных к ближнему порядку в расположении структурных единиц твердого тела.

Теплоемкость твердых тел при высоких т-рах определяется законами классич. статистич. механики, при низких-квантовой механики. Условной границей, разделяющей сферу действия этих законов, является т-ра Дебая qD. Величина qD индивидуальна для каждого в-ва (для большинства твердых тел qD = = 102-103 К).

Тепловое расширение твердых тел связано с энгармонизмом тепловых колебаний атомов. Коэф. теплового расширения a тем меньше, чем прочнее межатомные связи в твердом теле. В кристаллических твердых телах с несимметричной структурой коэф. a анизотропен.

Теплопроводность в твердом теле в общем случае складывается в осн. из электронной и фононной составляющих. Вклад каждой из них зависит от природы твердого тела. В металлах осн. роль в переносе тепла при обычных т-рах играют электроны проводимости. В диэлектриках тепловая энергия передается преим. фононами и к пропорциональна теплоемкости в-ва, средней скорости и средней длине своб. пробега фононов. В полупроводниках преобладание того или иного механизма теплопроводности определяется наличием, типом и концентрацией примесей и, как и в др. твердых телах, к зависит от состояния кристаллич. решетки (аморфное, моно- или поли-кристаллич.) и наличия структурных дефектов.

Магн. св-ва твердых тел (см. Магнетохимия, Магнитная восприимчивость, Магнитные материалы) определяются наличием или отсутствием у частиц, образующих твердые тела, магн. моментов. Осн. роль в формировании магн. св-в твердых тел играют электроны благодаря наличию у них спиновых магн. моментов (т. наз. магнетон Бора). Дополнит. небольшой вклад в образование магн. моментов м. б. связан со спином нуклонов и орбитальным движением электронов. По магн. св-вам твердые тела разделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и фёрримагнетики.

Оптич. св-ва твердых тел (см. Оптические материалы) определяются характером взаимод. электромагн. поля с в-вом. Поглощение излучения обусловлено переходом частиц, образующих твердое тело, в возбужденное состояние. С обратным переходом частиц из возбужденного состояния в невозбужденное связана люминесценция. Коэф. поглощения зависит от длины волны излучения и природы твердого тела.

Для металлов, имеющих высокую концентрацию своб. электронов, свойственны высокие коэф. отражения излучения в широком спектральном диапазоне. Это связано с тем, что б. ч. энергии, приобретенной своб. электронами поверхностного слоя металла, расходуется на генерацию вторичных волн, сложение к-рых образует отраженную волну.

Вследствие того что электроны проводимости в металлах могут поглощать сколь угодно малые кванты электромагн. энергии, при взаимод. внеш. электромагн. поля с электронами в тонком поверхностном слое металла индуцируются токи (скин-эффект). Они играют экранирующую роль и приводят к резкому (экспоненциальному) затуханию волны внутри металла.

В полупроводниках и диэлектриках в зависимости от длины волны падающего злектромагн. излучения поглощение связано с одним из след. осн. механизмов: 1) собств. (фундаментальное) поглощение, вызванное возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости; 2) экситонное поглощение, обусловленное образованием возбужденного состояния-связанной пары электрон -дырка; 3) поглощение своб. носителями заряда; 4) поглощение на дефектах кристаллич. решетки. Для кристаллического твердого тела (за исключением кристаллов кубич. сингонии) характерна анизотропия оптич. св-в, вызывающая такие явления, как поляризация света, двойное лучепреломление.

Процессы взаимодействия твердых тел с электромагн. излучением лежат в основе использования их для изготовления элементов оптич. приборов и систем, источников и приемников излучения и др.

Лит.: Ван Fлек Л., Теоретическое и прикладное материаловедение, пер. с англ., М-, 1975; Постников В. С., Физика и химия твердого состояния, М., 1978; Горелик С. С, Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988. Р. X. Акчурин.


Яндекс.Метрика


© ХиМиК.ру



Обратная связь / Дизайн сайта