ОСНОВНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ЯВЛЯЮТСЯ

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела
, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью
и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать
проходящее через них электромагнитное излучение
.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы
. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями
.

Различают кристаллические
и аморфные
твёрдые тела. Раздел физики
, изучающий состав и внутреннюю структуру твёрдых тел, называется физикой твёрдого тела
. То, как твёрдое тело меняет форму при воздействиях и движении, изучается отдельной дисциплиной — механикой твёрдого (деформируемого) тела
. Движением абсолютно твёрдого тела занимается третья наука — кинематика твёрдого тела
.

Технические приспособления, созданные человеком, используют различные свойства твёрдого тела. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как то твёрдость
, масса
, пластичность
, упругость
, хрупкость
. В современном мире применение твёрдого тела основывается также на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.

Все
металлы представляют собой кристаллические
вещества.

Твердое
состояние вещества характеризуется
тем, что расстояние между частицами
имеет величину порядка их размера, а
сами частицы совершают колебательные
движения относительно положения
равновесия.

Кристалл

– твердое тело, состоящее из упорядоченных
периодически повторяющихся в пространстве
частиц. Обычно они образуются и растут
из растворов и расплавов.

Кристаллическая
решетка

– присущее веществу в кристаллическом
состоянии правильное расположение
атомов, характеризующееся периодической
повторяемостью в 3х измерениях.

Аморфное
тело

– вещество, не имеющее кристаллической
решетки.

Элементарная
ячейка

– элемент объема из минимального числа
атомов, многократным переносом которого
в пространстве можно построить весь
кристалл.

1. размеры ребер
   элементарной ячейки (a,b,c)
   – периоды решетки – расстояния между
   центрами ближайших атомов;

2. углы между осями (α,β,γ);

3. координационное число – число атомов,
   расположенных на ближайшем одинаковом
   расстоянии от любого атома в решетке;

4. базис решетки – количество атомов,
   приходящихся на одну элементарную
   ячейку;

5. плотность упаковки – отношение объема,
   занятого атомами к объему ячейки
   (реальному объему).

1. примитивный – узлы решетки совпадают
   с вершинами кристаллической решетки;

2. базоцентрированный – атомы занимают
   вершины ячеек и два места в противоположных
   гранях;

По форме:
1 )
триклинная
(a
≠ b
≠ c,
α ≠ β ≠ γ, тип 1); 2)моноклинная (a
≠ b
≠ c,
α = β = 90°, γ < 90°, тип 1, 2);

3. ромбическая (a
   ≠ b
   ≠ c,
   α = β = γ = 90°, тип 1, 2, 3, 4);

4. ромбоэдрическая
   (a
   = b
   = c,
   α = β = γ ≠ 90°, тип 1);

5. гексогональная (a
   = b
   ≠ c,
   α = β = 90°, γ = 120°, тип 2);

6. тетрагональная (a
   = b
   ≠ c,
   α = β = γ = 90°, тип 1, 3);

7. кубическая (a
   = b
   = c,
   α = β = γ = 90°, тип 1, 3, 4).

В
отличие от жидкостей твердое тело
сохраняет не только свой объем, но и
форму и обладает значительной прочностью.

Разнообразные
твердые тела, с которыми приходится
встречаться, можно разделить на две
группы, существенно различающиеся по
своим свойствам: кристаллические и
аморфные.

Основные
свойства кристаллических тел

1. Кристаллические
   тела имеют определенную температуру
   плавления tпл, не изменяющуюся в процессе
   плавления при постоянном давлении
   (рис. 1, кривая 1).

2. Для
   кристаллических тел характерно наличие
   пространственной кристаллической
   решетки, которая представляет собой
   упорядоченное расположение молекул,
   атомов или ионов, повторяющееся по
   всему объему тела (дальний порядок).
   Для любой кристаллической решетки
   характерно существование такого
   элемента ее структуры, многократным
   повторением которого в пространстве
   можно получить весь кристалл. Это
   монокристалл. Поликристалл состоит из
   множества очень мелких, сросшихся между
   собой монокристаллов, которые
   ориентированы в пространстве хаотически.

3. Физические
   свойства (механические, электрические,
   магнитные, тепловые и др.) монокристаллов
   различны по разным направлениям внутри
   кристалла. Это явление называют
   анизотропией кристаллов. Оно объясняется
   различием в плотности расположения
   частиц в кристаллической решетке по
   разным направлениям. На рисунке 2 условно
   изображено расположение атомов в одной
   из плоскостей монокристалла. Через
   узлы этой плоской решетки проведены
   различно ориентированные параллельные
   прямые (1, 2, 3, 4). Видно, что на единицу
   длины прямых приходится не одинаковое
   количество атомов. А механические
   свойства кристалла зависят от плотности
   размещения образующих его частиц.

4. Кристаллическая
   структура связана с минимумом
   потенциальной энергии, т.е. при образовании
   кристаллов частицы самопроизвольно
   располагаются так, чтобы их взаимная
   потенциальная энергия была минимальной.

Монокристаллы и поликристаллы.
Существуют одиночные кристаллы, называемые монокристаллами, которые могут иметь довольно большие размеры. Примерами могут служить кристаллы горного хрусталя, размеры которых иногда соизмеримы с ростом человека.

Монокристаллы
— твёрдые тела, имеющие во всём объёме единую кристаллическую решётку.

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропия
, т. е. зависимость физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления внутри кристалла. Анизотропия монокристаллов обусловлена различием в плотности расположения частиц в кристаллической решётке по разным направлениям. На рисунке 47 показано, что расстояния между атомными плоскостями в кристалле неодинаковы ( d
₁
< d
₂
). Поэтому, в частности, отличаться будут и силы, необходимые для его разрыва ( F
₁
> F
₂
). Например, кусок слюды достаточно легко расслоить в одном из направлений на тонкие пластинки, но для того, чтобы разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, потребуются гораздо большие усилия.

Анизотропия свойственна некоторым материалам биологического происхождения. Например, костным и мышечным тканям человека и животных, древесине и листьям, траве и др.

Большинство кристаллических твёрдых тел являются поликристаллами
.

Поликристаллы
— твёрдые тела, состоящие из большого числа сросшихся между собой маленьких кристаллов.

В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны
, т. е. их свойства одинаковы по всем направлениям. Это следствие того, что поликристалл состоит из большого количества беспорядочно ориентированных маленьких монокристаллов.

Вы сами можете в домашних условиях вырастить монокристаллы (рис. 48, а
) и поликристаллы (рис. 48, б
) медного купороса (сульфата меди(II) CuSO ₄
).

Кристаллические тела имеют определённую температуру плавления t
_пл
, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении. Зависимость температуры кристаллического тела от полученного им количества теплоты представлена на рисунке 49, график 1
.

От теории к практике

1.
Почему у шара, изготовленного из монокристалла, при нагревании изменяется не только объём, но и форма?

2.
Будет ли при нагревании шара, изготовленного из стали, изменяться не только объём, но и форма?

Твердым
телом называется агрегатное состояние
вещества, характеризующееся постоянством
формы и объема, причем тепловые движения
частиц в них представляют собой
хаотические колебания частиц относительно
положений равновесия.

Твердые
тела подразделяются на кристаллические
и аморфные.

Кристаллические
тела – это твердые тела, имеющие
упорядоченное периодически повторяющееся
расположение частиц.

Структура,
для которой характерно регулярное
расположение частиц с периодической
повторяемостью в тех измерениях,
называется кристаллической решеткой.

Характерной
особенностью кристаллов является их
анизотропность – зависимость физических
свойств (упругих, механических, тепловых,
электрических, магнитных) от направления.
Анизотропия кристаллов объясняется
тем, что плотность расположения частиц
по разным направлениям не одинакова.

Если
кристаллическое тело состоит из
единственного кристалла, оно называется
монокристаллом. Если твердое тело
состоит из множества беспорядочно
ориентированных кристаллических зерен,
оно называется поликристаллом. В
поликристаллах анизотропия наблюдается
только для отдельных мелких кристалликов.

Твердые
тела, физические свойства которых
одинаковы по всем направлениям
(изотропны), называются аморфными. Для
аморфных тел, как и для жидкостей,
характерен ближний порядок в расположении
частиц, но, в отличие от жидкостей,
подвижность частиц в них довольномала.

Органические
аморфные тела, молекулы которых состоят
из большого числа одинаковых длинных
молекулярных цепочек, соединенных
химическими связями, называются
полимерами (например, каучук, полиэтилен,
резина).

В
зависимости от рода частиц, расположенных
в узлах кристаллической решетки и от
характера сил взаимодействия между
частицами, различают 4 физических типа
кристалла: 

Ионные
кристаллы
,
например,  NaCl
.
В узлах кристаллической решетки находятся
ионы разных знаков. Связь между ионами
обусловлена силами кулоновского
притяжения и называется такая связь
гетерополярной.

Атомные
кристаллы
,
например,  С
 (алмаз),  Ge, Si
.
В узлах решетки находятся нейтральные
атомы, удерживающиеся там благодаря
ковалентным связям, возникающим за счет
обменных сил, имеющих чисто квантовый
характер. 

Металлические
кристаллы
.
В узлах кристаллической решётки
располагаются положительные ионы
металла. Валентные электроны в металлах
слабо связаны со своими атомами, они
свободно перемещаются по всему объёму
кристалла, образуя так называемый
«электронный газ».
Он связывает между
собой положительно заряженные ионы. 

Молекулярные
кристаллы
,
 например,
нафталин,- в твёрдом состоянии (сухой
лёд). Они состоят из молекул, связанных
между собой силами Ван-дер-Ваальса, т.е.
силы взаимодействия индуцированных
молекулярных электрических диполей.

Фазовый переход по фазовой диаграмме
при изменении её интенсивных параметров ( температуры
, давления
и тому подобное) происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния
, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

При фазовом переходе первого рода
скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры
: удельный объём
, количество запасённой внутренней энергии
, концентрация
компонентов и т. п. Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия
строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться).

Аморфные тела и их свойства.

Аморфные
тела — это стекло, смола, канифоль,
многие пластмассы, сургуч, пластическая
сера, янтарь, различные полимеры —
органические аморфные тела (целлюлоза,
каучук, кожа, плексиглас, полиэтилен) и
др.

1. У
   аморфных тел нет кристаллической
   решетки, у них обнаружен только ближний
   порядок в расположении молекул. На
   рисунке 1 изображена плоская схема
   расположения молекул кварца (а) и
   кварцевого стекла — аморфного тела
   (б).

2. Аморфное
   тело обладает слабо выраженной
   текучестью. Так, если воронку наполнить
   кусочками воска, то через некоторое
   время (различное для разных температур)
   кусочки воска будут «расплываться».
   Воск примет форму воронки и начнет
   «вытекать» из нее. Текучесть
   связана с перескоками молекул из одного
   положения равновесия в другое.

3. У
   аморфных тел нет определенной температуры
   плавления. Вещество в аморфном состоянии
   при нагревании постепенно размягчается
   и переходит в жидкость . Вместо температуры
   плавления приходится говорить о
   температурном интервале размягчения.

4. Аморфные
   тела изотропны, т.е. их физические
   свойства по всем направлениям одинаковы.

5. Внутренняя
   энергия вещества в аморфном состоянии
   больше, чем в кристаллическом. Поэтому
   аморфные тела могут самопроизвольно
   переходить в кристаллическое состояние
   (пример: помутнение со временем стекол).

Состояния при большом давлении

Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули
. В результате в нейтронном состоянии вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте, в пределах от сотни МэВ).

• Шульц М. М.
  , Мазурин О. В.
  Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука, 1988. — ISBN 5-02-024564-X
  .

3. Белоконь, Н. И.
   Основные принципы термодинамики, 1968. — С. 25.
4. Владимир Жданов.
   Плазма в космосе
   
   . Кругосвет
   . Дата обращения: 21 февраля 2009.
   Архивировано
   22 августа 2011 года.
   
   
5. . scientific.ru. Дата обращения: 16 июня 2010.
   Архивировано из оригинала
   9 августа 2011 года.
   
   
6. C. Fuchs, H. Lenske, H. H. Wolter.
   Dencity Dependent Hadron Field Theory
   
   . arxiv.org (29 июня 1995). Дата обращения: 30 ноября 2012.
   Архивировано
   16 ноября 2017 года.
   
   
7. И. М. Дремин, А. В. Леонидов.
   С. 1172. Успехи физических наук
   (ноябрь 2010). doi
   : 10.3367/UFNr.0180.201011c.1167
   . — УФН 180 1167–1196 (2010) .
   Дата обращения: 29 марта 2013.
   Архивировано
   5 апреля 2013 года.
   
   
9. Игорь Иванов.
   Как расщепляют мгновение
   
   . Элементы.ру
   (29 июня 2009). Дата обращения: 29 ноября 2012.
   Архивировано
   8 декабря 2012 года.
   
   
10. В. Л. Коротких.
    Взрыв горячей ядерной материи
    
    С. 6. old.sinp.msu.ru. Дата обращения: 29 марта 2013.
    Архивировано
    5 апреля 2013 года.
    
    
11. Изучение ядерных столкновений
    
    . Элементы.ру
    . Дата обращения: 30 октября 2013.
    Архивировано
    30 октября 2013 года.
    
    
12. Плавление атомных ядер происходит в два этапа?
    
    Дата обращения: 1 февраля 2008.
    Архивировано
    21 января 2015 года.
    
    

§ 54. Изменение агрегатного состояния

И
в жидкостях и в твердых телах всегда
есть некоторое число молекул, энергия
которых достаточна для преодоления
притяжения к другим молекулам, и которые
способны покинуть поверхность жидкости
или твердого тела. Такой процесс для
жидкости называется испарением

(или парообразованием), для твердых тел
– сублимацией

(или возгонкой).

Конденсацией

называется переход вещества вследствие
его охлаждения или сжатия из газообразного
состояния в жидкое.

Если
число молекул, покидающих жидкость за
единицу времени через единичную
поверхность, равно числу молекул,
переходящих из пара в жидкость, то
наступает динамическое равновесие
между процессами испарения и конденсации.
Пар, находящийся в равновесии со своей
жидкостью, называется насыщенным.

Плавлением

называется переход вещества из
кристаллического 9твердого) состояния
в жидкое. Плавление происходит при
определенной, возрастающей с увеличением
внешнего давления, температуре плавления
Т _пл
.

В
процессе плавления теплота Q,
сообщаемая веществу, идет на совершение
работы по разрушению кристаллической
решетки, и поэтому

(рис. 54.2, а)
до
расплавления всего кристалла.

Количество
теплоты L,
необходимое для расплавления 1 кг
вещества, называется удельной
теплотой плавления
.

Если
жидкость охлаждать, то процесс пойдет
в обратном направлении (рис. 54.2, б),

— количество теплоты, отдаваемое телом
при кристаллизации): сначала температура
жидкости понижается, затем при постоянной
температуре, равной Т
_пл

,
начинается кристаллизация.

Для
кристаллизации вещества необходимо
наличие центров кристаллизации –
кристаллических зародышей, которыми
могут быть как кристаллики образующегося
вещества, так и любые инородные включения.
Если в чистой жидкости нет центров
кристаллизации, то она может быть
охлаждена до температуры, меньшей
температуры кристаллизации, образуя,
при этом переохлажденную жидкость
(рис.б, — пунктир).

Аморфные
тела являются переохлажденными
жидкостями.

1. ↑ <sup>1
   
   
   
   2
   
   
   
   3
   
   
   
   4
   
   
   
   5
   
   
   
   6</sup>
   
   
   
   
   Стрелецкий Алексей Владимирович, Наймушина Дарья Анатольевна.
   . Роснано
   . Дата обращения: 8 марта 2012.
   Архивировано
   31 мая 2012 года.
   
   
2. ↑ <sup>1
   
   
   
   2
   
   
   
   3
   
   
   
   4
   
   
   
   5
   
   
   
   6
   
   
   
   7
   
   
   
   8</sup>
   
   
   
   
4. не учитывая температурные колебания, диффузию и т. п.

Кристаллические и аморфные тела. Свойства твердых тел

Твердые тела могут быть кристаллическими
или аморфными. Главное отличие
кристаллических тел от аморфных состоит
в том, что кристаллические тела имеют
пространственную решетку, а аморфные
тела ее не имеют Кристаллическая решетка
представляет собой такое упорядоченное
расположение в пространстве молекул,
атомов или ионов, которое повторяется
по всему объему тела (дальний порядок).
Для любой кристаллической решетки
характерно существование такого элемента
ее структуры, многократным повторением
которого в пространстве можно получить
всю кристаллическую решетку, какой бы
объем ни занимал кристалл. Такой элемент
структуры называют элементарной ячейкой
кристаллической решетки. Для описания
строения любого кристалла достаточно
изучить строение элементарной ячейки
пространственной решетки этого кристалла.

У кристаллических твердых тел существуют
четыре типа пространственных решеток
.

Ионная решетка.
В узлах этой решетки
в определенном порядке чередуются ионы
противоположных знаков, удерживающиеся
в положении устойчивого равновесия
электростатическими силами (например,
соли).

Атомная решетка.
В узлах такой
решетки находятся нейтральные атомы,
взаимодействие между которыми происходит
через общие для каждых двух соседних
атомов электронные пары (ковалентная
связь).

Молекулярная решетка.
В узлах данной
решетки расположены нейтральные
молекулы, удерживающиеся молекулярными
силами притяжения.

Металлическая решетка.
В узлах этой
решетки находятся положительные ионы,
взаимодействие между которыми
осуществляется через обобществленные
свободные электроны.

Кристаллическое твердое тело,
представляющее собой один кристалл,
называют монокристаллом. Физические
свойства монокристаллов различны по
различным направлениям внутри кристалла.
Это явление называют анизотропией
кристаллов.

Физические свойства аморфных тел по
всем направлениям одинаковы, т. е.
аморфные тела являются изотропными.
При низких температурах свойства
аморфных тел более близки к твердым
телам, а при высоких температурах — к
жидкостям. Подобно твердым телам,
аморфные тела обладают упругостью, а
подобно жидкостям — текучестью. В
аморфных телах существует ближний
порядок в расположении частиц вещества.

Поликристаллическое тело состоит из
множества очень мелких (размером 10 ^-6

—10 ^-7
м) сросшихся между собой
монокристаллов. Кристаллические решетки
этих крошечных монокристаллов
ориентированы в пространстве хаотически.
Поэтому физические свойства
поликристаллических тел одинаковы по
всем направлениям. Вследствие этого
поликристаллическое твердое тело не
обладает анизотропией физических
свойств, а является изотропным.

Значительное отличие кристаллических
тел от аморфных обнаруживается в
процессах плавления и отвердевания.
Плавлением
называют процесс перехода
вещества из твердого состояния в жидкое.
Обратный плавлению процесс перехода
вещества из жидкого состояния в т
вердое
называют отвердеванием. Кристаллические
тела плавятся и отвердевают при
определенной для каждого вещества
температуре, называемой температурой
плавления. В процессе плавления (или
отвердевания) кристаллического тела,
когда оно существует в виде двухфазной
системы (т. е. частично в жидком, частично
в твердом состоянии), температура тела
остается неизменной до тех пор, пока
все тело не расплавится (или затвердеет).
График зависимости температуры Т
кристаллического тела от сообщаемого
ему (или отбираемого у него) количества
теплоты Q изображен на
рис. Участок АВ графика, соответствующий
твердому состоянию вещества, показывает,
что при нагревании (или охлаждении)
температура твердого тела изменяется.
Точка В соответствует температуре
плавления, при достижении которой при
нагревании тело начинает плавиться.
Участок ВС графика соответствует
процессу плавления (или затвердевания)
тела, при этом тело существует частью
в жидком, частью в твердом состоянии.
При этом температура тела не изменяется.
Точка С соответствует полному переходу
тела в жидкость при плавлении (или началу
затвердевания жидкости при ее охлаждении).
Участок CD графика,
соответствующий жидкому состоянию
вещества, показывает, что при нагревании
(или охлаждении) температура жидкости
изменяется.

А
морфные
тела не имеют определенной температуры
плавления или затвердевания. В процессе
плавления (или затвердевания) температура
аморфных тел непрерывно изменяется.
При плавлении температура кристаллических
тел не меняется потому, что когда тело
нагрето до температуры плавления, вся
подводимая к телу теплота идет только
на увеличение потенциальной энергии
молекул тела, а их кинетическая энергия
не изменяется. Поэтому не изменяется и
температура — мера средней кинетической
энергии молекул. Увеличение потенциальной
энергии молекул приводит к разрушению
кристаллической решетки тела, т. е. к
изменению агрегатного состояния
вещества. Температура плавления
зависит от давления
. Если плавление
вещества сопровождается увеличением
его объема (что наблюдается у большинства
веществ), то при увеличении внешнего
давления температура плавления этого
вещества повышается. Если же плавление
вещества сопровождается уменьшением
его объема (лед, чугун, висмут, сурьма),
то при возрастании внешнего давления
температура плавления этого вещества
понижается.

Количество теплоты, необходимое для
полного превращения 1 кг массы
кристаллического вещества из твердого
состояния в жидкое при постоянной
температуре плавления, характеризуют
удельной теплотой плавления: 
= Q/m.

Форма материи
, которая не испускает электромагнитного излучения
и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение
. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам
.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы
, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик
.

Состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определёнными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

• Ферми-газ
   — 1-я стадия: электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах
  , играет важную роль в эволюции звёзд.
• 2-я стадия — нейтронное состояние: в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом должна быть ниже триллиона градусов (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
• При повышении температуры выше сотни МэВ в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать
  разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент
  , и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы
  . Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно ^[12]
  
  , деконфайнмент
  происходит в два этапа.
• При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует
  в чёрную дыру
• При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам
  добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской
  , пока неизвестно.

Способность вещества в особом состоянии ( квантовой жидкости
), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю ( термодинамическая фаза
), протекать через узкие щели и капилляры без трения
. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия
, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах
, твёрдом гелии
.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы
гелия
являются бозонами
, квантовая механика
допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур
все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия
состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре
энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Представляет собой Бозе-конденсацию
в режиме БКШ
«атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов- фермионов
.
(В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Газ
, на свойства которого существенно влияют квантовомеханические
эффекты, возникающие вследствие тождественности его частиц. Вырождение наступает в условиях, когда расстояния между частицами газа становятся соизмеримыми с длиной волны де Бройля
; в зависимости от спина частиц выделяются два типа вырожденных газов — ферми-газ, образованный фермионами
(частицами с полуцелым спином) и бозе-газ, образованный бозонами
(частицами с целым спином).

Сверхтекучее твёрдое тело

Термодинамическая фаза
квантовой жидкости
, представляющей собой твёрдое тело
со свойствами сверхтекучей жидкости
.

• Твёрдое тело
  
  — статья из Физической энциклопедии
• Физика конденсированного состояния: 10 ключевых утверждений
   // ТрВ № 79, 24 мая 2011 года.

Несмотря на то, что твёрдые тела (металлы, минералы) исследовались давно, всестороннее изучение и систематизация информации об их свойствах началось с XVII века. Начиная с этого времени был открыт ряд эмпирических законов
, которые описывали влияние на твёрдое тело механических сил, изменения температуры, света, электромагнитных полей и т. д. Были сформулированы:

Уже в первой половине XIX века были сформулированы основные положения теории упругости, для которой характерно представление о твёрдом теле как о сплошной среде
.

Целостное представление о кристаллической структуре твёрдых тел, как совокупности атомов, упорядоченное размещение которых в пространстве обеспечивается силами взаимодействия было сформировано Огюстом Браве
в 1848 году, хотя первые идеи такого рода высказывались в трактатах Николаса Стено
(1669), Рене Жюста Гаюи
(1784), Исааком Ньютоном
в работе « Математические начала натуральной философии
» (1686), в которой рассчитана скорость звука в цепочке упруго связанных частиц, Даниилом Бернулли
(1727), Огюстеном Луи Коши
(1830) и другими.

Схематическое изображение атомной структуры неупорядоченного аморфного (слева) и упорядоченного кристаллического (справа) твёрдого тела.

Атомы
и
• молекулы

, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул [4]

• 
  и удерживаются между собой

межмолекулярным взаимодействием

• .

Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии
и кристаллографии
под кристаллической структурой подразумевается определённый порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из ^{элементарных ячеек}
, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность
играют роль в определении множества свойств, таких как спайность
кристалла, электронная зонная структура и

• оптические

свойства.


Твёрдые тела обладают

тепловой энергией
, следовательно их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

• Материаловедение
  главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как

  твёрдость

  , предел прочности

  , сопротивление материала нагрузкам, а также

  фазовые
  превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела. Химия твёрдого состояния
  перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими этими разделами знаний, но особенно затрагивает вопросы синтезирования новых материалов.

  
  

  
  

  При повышении температуры твёрдые тела переходят в жидкое или газообразное состояние. Переход твёрдого тела в жидкость называется плавлением
  , а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, — сублимацией
  . Переход к твёрдому телу (при понижении температуры) — кристаллизация
  , к аморфной фазе — стеклование
  .

  Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твёрдых тел, становясь упорядоченной при понижении температуры.

  Свойства металлического u и его терморадиационная стойкость

  Природный
  Me
  U
  – смесь изотопов: U ²³⁹

  – 99,282 %; U ²³⁵

  – 0,712 %; U ²³⁴

  – 0,006 %.

  Структура
  Me
  U
  имеет три модификации: α,β,γ. ρ = 18,7-19,6
  г/см ³
  ,
  t°плавления
  = 1130 °
  
  C.

  U
  α – t°плавления
  = 663 °
  
  C,
  орторомбическая структура.

  U
  β – t°плавления
  = 663-775 °
  
  C,
  тетрагональная решетка.

  U
  γ – t°плавления
  = 775-1130 °
  
  C,
  ОЦК.

  Теплофизические
  свойства U
  определяются его кристаллической
  структурой. Механические свойства
  образца почти целиком определяются
  способом приготовления, они сильно
  зависят от чистоты материала (этим
  пользуются при создании сплавов) и от
  способа изготовления деталей. Механические
  свойства очень чувствительны к примесям.

  В
  интервале температур от 373 до 77 К
  пластичность U
  резко падает с уменьшением температуры.
  Одновременно понижается предел прочности,
  уран из пластичного становится хрупким.
  Температура перехода зависит от
  содержания примесей, размеров зерна и
  т.п. Пластичность U
  при комнатной температуре может быть
  повышена отжигом в вакууме. Наилучшие
  результаты дает отжиг в течение одних
  суток при 623-673 К. С ростом температуры
  прочность урана снижается, а пластичность
  растет. В случае больших зерен пластичность
  и предел прочности меньше. С увеличением
  температуры выше порога кристаллизации
  (643-703 К) скорость ползучести U
  резко возрастает.

  В
  условиях циклического изменения
  температуры скорость ползучести
  возрастает (из-за внутренних напряжений,
  возникающих из-за анизотропии термического
  расширения α-урана при изменении
  температуры). Внутренние напряжения
  возрастают до предела текучести и
  вызывают пластическую деформацию зерен.

  Термические
  циклы вызывают изменение размера изделий
  из U.
  Наибольшая скорость роста (увеличения
  длины изделий) урана отмечена при
  максимальной разнице температур
  термического цикла (причем наибольшее
  влияние оказывает верхнее значение
  температуры), низкой скорости нагрева
  и высокой скорости охлаждения. В процессе
  изменения температуры в тепловом цикле
  происходит некоторое распухание изделий
  из поликристаллического U
  (т.е. уменьшения плотности), возникает
  шероховатость поверхности – «жеванность»
  и даже происходит растрескивание.

  Рост
  урана при термических циклах связывается
  с тем, что в двух смежных различно
  ориентированных зернах, имеющих
  вследствие этого в определенном
  направлении различные коэффициенты
  теплового расширения, при нагревании
  возникают внутренние напряжения. В
  случае перехода через точки фазовых
  превращений рост U
  связывают с различием плотности и
  прочности кристаллических модификаций
  U.

  Под
  действием облучения происходит изменение
  формы и размеров изделий из U.
  При температуре ниже 673 К эти явления
  обусловлены радиационным ростом U.
  В мелкозернистом поликристаллическом
  U
  при малом выгорании поверхность изделий
  становится шероховатой (эффект
  апельсиновой корки). В случае крупного
  зерна и больших выгораний неровности
  на поверхности увеличиваются, появляются
  чередующиеся гребешки и впадины
  (жеванность). Одновременно может
  происходить деформация изделий, например
  прутов из U.

  Поведение
  поликристаллического урана под облучением
  существенно зависит от размера зерна
  и совершенства его структуры, от характера
  текстуры.

  2.максимальное
  содержание делящегося материала (U).

  В чистом виде Me
  U
  не применим как топливо для ЯР. При
  облучении в АЗ реактора образец Me
  U
  быстро теряет свои (невысокие) коррозионные
  и механические (прочностные) свойства,
  изменяются его форма, размеры и даже
  целостность. Причина этому ряд
  специфических эффектов:

  1)твердое
  распухание; 2)термоциклирование – цикл
  термообработки (разогрев / охлаждение),
  приводит к изменению объема ΔV
  = 2-5%; 3)радиационный рост;4)газовое
  распухание; 5)радиационная ползучесть.

  Для
  того чтобы уменьшить эффекты 2 и 3 (см.
  выше) нужно выбирать такие способы
  обработки U,
  которые способствуют измельчению зерен
  и их произвольной ориентации в пространстве
  между собой.

  
  

  Под физическими свойствами твёрдых тел понимается их специфическое поведение при воздействии определённых сил и полей. Существует три основных способа воздействия на твёрдые тела, соответствующие трём основным видам энергии: механический
  , термический
  и электромагнитный
  . Соответственно выделяют три основные группы физических свойств.

  Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, согласно результатам широких исследований механических и реологических
  свойств твёрдых тел, выполненных школой академика П. А. Ребиндера
  , можно разделить на упругие, прочностные, реологические и технологические. Кроме того, при воздействии на твёрдые тела жидкостей или газов проявляются их гидравлические
  и газодинамические
  свойства.

  К термическим относят свойства, которые оказываются под воздействием тепловых полей. В электромагнитные свойства условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твёрдое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жёсткости (рентгеновских лучей, гамма-лучей).

  Легчайшим известным твёрдым материалом является аэрогель
  . Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1,9 мг
  /см³ или 1,9 кг
  /м³ (1/530 плотности воды).

  
  

  В покое твёрдые тела сохраняют форму, но 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 твёрдого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости
  . Отличительной особенностью твёрдого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется не только растяжению и сжатию, а также сдвигу
  , изгибу
  и кручению
  .

  При пластической деформации
  начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит также от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твёрдое тело может деформироваться упруго
  при мгновенном действии, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью
  . Одной из характеристик деформации является твёрдость
  тела — способность сопротивляться проникновению в него других тел.

  Каждое твёрдое тело имеет присущий ему порог деформации
  , после которого наступает разрушение. Свойство твёрдого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью
  . При разрушении в твёрдом теле появляются и распространяются трещины
  , которые в конце концов приводят к разлому.

  К механическим свойствам твёрдого тела принадлежит также его способность проводить звук
  , который является волной, переносящий локальную деформацию с одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов в твёрдом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твёрдого тела деформации сдвига. Скорость звука в твёрдых телах в целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твёрдых телах характеризуется анизотропией
  , то есть зависимостью от направления распространения.

  
  

  Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления
   — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления
  . В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию 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 твёрдого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения
  . Теплоёмкость
  твёрдого тела зависит от температуры, особенно при низких температурах, однако в области комнатных температур и выше, множество твёрдых тел имеют примерно постоянную теплоёмкость ( закон Дюлонга — Пти
  ). Переход к устойчивой зависимости теплоёмкости от температуры происходит при характерной для каждого материала температуре Дебая
  . От температуры зависят также другие характеристики твердотельных материалов, в частности механические: пластичность, текучесть, прочность, твёрдость.

  
  Электрические и магнитные свойства
  

  В зависимости от величины удельного сопротивления
  твёрдые тела разделяются на проводники и диэлектрики
  , промежуточное положение между которыми занимают полупроводники
  . Полупроводники имеют малую электропроводность, однако для них характерен её рост с температурой. Электрические свойства твёрдых тел связаны с их электронной структурой. Для диэлектриков свойственна щель
  в энергетическом спектре электронов, которую в случае кристаллических твёрдых тел называют запрещённой зоной. Это область значений энергии, которую электроны в твёрдом теле не могут иметь. В диэлектриках все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципу Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлено отсутствие проводимости. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей — акцепторов
  и доноров
  .

  Существует определённый класс твёрдых тел, для которых характерна ионная проводимость
  . Эти материалы называют супериониками
  . В основном это ионные кристаллы
  , в которых ионы одного сорта могут достаточно свободно двигаться между незыблемой решёткой ионов другого сорта.

  При низких температурах для некоторых твёрдых тел свойственна сверхпроводимость
   — способность проводить электрический ток без сопротивления.

  Существует класс твёрдых тел, которые могут иметь спонтанную поляризацию — пироэлектрики
  . Если это свойство характерно только для одной из фаз, что существует в определённом промежутке температур, то такие материалы называются сегнетоэлектриками
  . Для пьезоэлектриков
  характерна сильная связь между поляризацией и механической деформацией.

  Ферромагнетикам
  свойственно существование спонтанного магнитного момента
  .

  Оптические свойства твёрдых тел очень разнообразны. Металлы, в основном, имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, многие диэлектрики прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твёрдого тела обусловлен поглощающими свет примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость
   — увеличение электропроводности при освещении.

  Идеализации твёрдого тела в науках

  Твёрдые тела, встречающиеся в природе, характеризуются огромным количеством разнообразных свойств, которое постоянно растёт.
  В зависимости от поставленных перед определённой наукой задач важны лишь отдельные свойства твёрдого тела, другие — несущественны. Например, при исследовании прочности
  стали её магнитные свойства существенного значения не имеют.

  Для простоты изучения реальное тело заменяют идеальным, выделяя лишь важнейшие свойства для рассматриваемого случая. Такой подход, применяемый многими науками, называется абстрагированием
  . После выделения идеализированного тела с определённым перечнем существенных свойств, строится теория. Достоверность такой теории зависит от того насколько удачно принятая идеализация отражает существенные характеристики объекта. Оценку этому можно дать при сравнении результатов исследований, полученных теоретически на основе идеализированной модели и экспериментально.

  
  В теоретической механике
  

  В теоретической механике идеализированной схемой реального твёрдого тела является абсолютно твёрдое тело, то есть такое, в котором при любых обстоятельствах расстояния между любыми точками являются постоянными — не изменяются ни размеры, ни форма тела.

  
  В теории упругости
  

  В теории упругости и её прикладном применении сопромате также рассматриваются модели, которые учитывают и абсолютизируют отдельные свойства твёрдого тела. Так, принятие условий однородности и сплошности при малых деформациях позволяет применить методы анализа бесконечно малых величин, что существенно упрощает построение теории сопротивления материалов.

  Считается также, что зависимость между напряжениями и деформациями является линейной (см. Закон Гука
  ).

  
  В теории пластичности
  

  В теории пластичности
  модели твёрдого тела основаны на идеализации свойств деформационного упрочнения или свойств текучести твёрдых тел в напряжённо-деформированном состоянии
  .

  Классификация твёрдых тел

  
  

  • Ионная связь
    (например, NaCl
    ). Основными силами являются силы электростатического притяжения. Характерные свойства: в инфракрасной области — отражение и поглощение света в инфракрасной области; при низких температурах — малая электропроводность: при высоких температурах — хорошая ионная проводимость.
  • Ковалентная связь
    (например, С ( алмаз
    ), Ge
    , Si
    ).
  • Металлическая связь
    (например, Cu
    , Al
    ).
  • Молекулярная связь
    (например, <sup>[ источник не указан 2606 дней
    
    
    ]</sup>
    , СН ₄
    ).
  • Водородная связь
    (например, Н ₂
    О ( лёд
    ), HF
    ).

  По виду зонной структуры
  твёрдые тела классифицируют на проводники
  , полупроводники
  и диэлектрики
  .

  • Проводники
     — зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.
  • Полупроводники
     — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4 эВ
    . Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые ( собственные
    , нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.
  • Диэлектрики
     — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4 эВ
    . Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.