ФИ́ЗИКА 1, -и, ж.

Составить слова из слова физика 1

ФИ́ЗИКА 2, -и и ФИ́ЗИЯ, -и, ж. (прост.). То же, что лицо (в 1 знач.).

Составить слова из слова физика 2

Фи́зика атмосфе́ры - см. в статье Метеорология.

Составить слова из слова физика атмосферы

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ - исследование влияния, оказываемого на вещество очень высокими давлениями, а также создание методов получения и измерения таких давлений. История развития физики высоких давлений - удивительный пример необычайно быстрого прогресса в науке, опирающейся, в основном, на свои, достигнутые в прошлом, успехи. Возникновение физики высоких давлений как области серьезной научной деятельности восходит к выполненным почти 200 лет назад и опубликованным Лондонским королевским обществом экспериментам Дж.Кантона (1718-1772), в которых он установил, что вода, считавшаяся до того несжимаемой жидкостью, обладает измеримой сжимаемостью. После этого на протяжении почти 50 лет ничего существенного в физике высоких давлений получено не было. Затем темпы прогресса постепенно нарастали, и к концу 19 в. сформировались крупные исследовательские центры в Великобритании, Франции и Германии. В начале 20 в. бум исследований в этой области дошел до России и США, а ныне они ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает и получаются все более важные результаты. Напомним, что под давлением понимается не просто сила, а сила, отнесенная к единице площади. Очень высокое давление можно получить, располагая сравнительно небольшой силой, если приложить ее к достаточно малой площади.

Технические проблемы. Из основных проблем можно указать следующие три: проблема предотвращения протечки жидкости, в которой создается давление и которая передает это давление, проблема предотвращения разрушения сосуда, ограничивающего область высокого давления, и проблема точнoгo измерения давления и вызываемых им физических эффектов. К настоящему времени эти проблемы в значительной мере решены, а в тех случаях, когда решения не вполне удовлетворительны, известны принципы, на которых должно быть основано адекватное решение.

Проблема протечки. Поначалу проблема предотвращения протечки была самой трудной. В первых исследованиях с высокими давлениями соединения уплотняли сургучом (рис.

1,а); хорошо спроектированными соединениями такого типа можно было пользоваться до давлений порядка нескольких сот атмосфер. (Атмосфера как единица давления равна атмосферному давлению при нормальных условиях, т.е. 0,1 МПа.) Для более высоких давлений применяли соединения, которые и сейчас часто используются в гидравлических установках, с упругой прокладкой, зажимаемой между двумя фланцами (рис. 1,б). Однако такие уплотнения не выдерживали давления порядка тысячи атмосфер, поскольку из них выбивались прокладки. В конце 19 в. эту трудность удалось устранить французскому физику Э.-И.Амага (1841-1915), который так изменил конструкцию соединения, что мягкая прокладка была со всех сторон окружена поверхностями металлических деталей и не могла быть выбита. Такое уплотнение выдерживало давления до 3000 атм. Протечка возникала, лишь когда давление жидкости сравнивалось с давлением, которое создавалось затягиванием винтов или гаек, сжимающих соединение.

Рис. 1. ТРИ СПОСОБА УПЛОТНЕНИЯ соединений высокого давления. а - в первых экспериментах соединения уплотняли сургучом; б - фланцевое соединение на винтах; в - самоуплотняющееся соединение. Первые два способа уплотнения ненадежны, т.к. сургуч и прокладка могут быть выдавлены наружу. В соединении в прокладка полностью закрыта, и при увеличении давления лишь повышается плотность соединения.

В начале 20 в. П.Бриджмену удалось сделать завершающий шаг на пути создания конструкции соединения, плотность которого автоматически повышается под действием самого давления (рис. 1,в). Если такое соединение правильно спроектировано, то протечка жидкости невозможна, сколь бы велико ни было давление, и предел достижимого давления определяется лишь прочностью деталей, ограничивающих область высокого давления. Парадоксально, но проблема предотвращения протечек при комнатной температуре решается сама собой, если давление выше ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ30 000 атм., поскольку все жидкости и большинство газов затвердевают при таких давлениях и обычных температурах.

Прочность сосудов высокого давления. Вторая проблема - проблема прочности ограничивающего сосуда - возникла уже при сравнительно невысоких давлениях. Трудности такого рода почти всегда были связаны с дефектными материалами; эти трудности отпали в результате успехов материаловедения и технологии производства. Когда же стали достижимы давления, измеряемые десятками тысяч атмосфер, не было адекватных теоретических представлений о том, чего следовало ожидать, и прогресс стал возможен лишь на эмпирической основе. Тем не менее было ясно, что прочность сосуда, работающего под давлением, нельзя обеспечить, увеличивая лишь толщину его стенок. Напряжения и деформации растяжения сосуда концентрируются в средней части его стенки, и увеличение толщины стенки выше некоторого предела ненамного повышает прочность сосуда. Максимальное давление, достижимое при использовании лучших из имеющихся в настоящее время сталей в сочетании с методом предварительного нагружения сосуда внешним давлением, составляет примерно 20 000-30 000 атм. Для получения давлений, значительно превышающих указанное, необходимо усложнить конструкцию. Разработан ряд схем такого усложнения. В самой простой из них (рис. 2) сосуду высокого давления снаружи придается коническая форма. По мере повышения внутреннего давления весь такой сосуд вдавливается независимо управляемым гидравлическим прессом в массивное соответствующее сосуду по фopмe и размерам кольцо, так что на сосуд действует давление извне, увеличивающееся согласованно с повышением внутреннего давления. Таким способом достигаются давления порядка 60 000-70 000 атм. - вдвое большие, чем на установках с простыми сосудами высокого давления. Для достижения еще более высоких давлений можно использовать принцип мультипликации (рис. 3), при котором аппарат высокого давления полностью помещается внутрь аппарата менее высокого давления типа показанного на рис. 2. Теоретически нет предела для давлений, которых можно было бы достичь, увеличивая число ступеней мультипликации. Но из-за технических трудностей пока что удалось осуществить только двухступенчатую схему.

Рис. 2. АППАРАТ BЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, схема. При повышении давления в камере, вызванном перемещением поршня, боковые стенки конического сосуда высокого давления сильнее сжимаются наружным кольцом.

Рис. 3. МИНИАТЮРНЫЙ АППАРАТ для получения очень высоких давлений. Он помещается в наполненную жидкостью камеру давления аппарата, показанного на рис. 2; конический сосуд поддерживается стальным кольцом и, еще более эффективно, гидростатическим давлением окружающей жидкости.

Возможны и другие варианты этой схемы. Путем сочетания двух ступеней в установке, в которой усеченный конус прижимается к массивной плите, причем сам он полностью окружен жидкостью, находящейся под давлением в 30 000 атм., П.Бриджмену удалось получить статические давления, превышающие 400 000 атм. Аналогичная техника применяется все чаще, и сообщения в литературе о статических давлениях в несколько сот тысяч атмосфер становятся все более привычными.

Измерение высоких давлений. Что касается третьей проблемы, а именно измерения давления и вызываемых им эффектов, то здесь технические трудности почти целиком связаны с деформациями аппарата, вызываемыми самим давлением. В диапазоне нескольких сот атмосфер, который долгое время оставался главной областью исследований, деформация аппарата не оказывала серьезного влияния на точность измерения давления, т.к. давление можно было измерять ртутным манометром. Но даже в этом диапазоне сравнительно низких давлений деформация материалов существенным образом сказывалась на точности измерения таких чувствительных параметров, как сжимаемость жидкостей. В "пьезометрах", устроенных по принципу термометра, сжимаемость определялась по смещению уровня жидкости в капилляре при воздействии давления на баллон. При таких условиях поправка на деформацию пьезометра составляет весьма заметную долю полного эффекта. К тому же погрешности в измерении сжимаемости сказывались на результатах измерения давления, т.к. при высоких давлениях, достижимых с открытым ртутным манометром, становится существенной поправка на сжимаемость ртути. Первый шаг к устранению такого рода неопределенностей в измерении давления сделал Амага, применивший манометр со "свободным" поршнем. Такой манометр требует величайшей точности изготовления. Поршень должен быть так подогнан, чтобы не было ни заметной протечки, ни заметного трения. При использовании такого манометра давление определяется по полной силе, с которой жидкость, находящаяся под давлением, выталкивает поршень. Давление в работе Амага не превышало 3000 атм. (При таких давлениях поправки на деформацию манометра не очень значительны и могут быть с хорошей точностью вычислены на основе теории упругости, ныне хорошо разработанной.)

Рис. 4. МАНОМЕТР СО СВОБОДНЫМ ПОРШНЕМ, прибор для измерения очень высоких давлений. На плунжер кладут гири, уравновешивая силу, с которой действует на поршень измеряемое давление.

Бриджмен, пользуясь весьма упрощенным вариантом манометра со свободным поршнем, представленным на рис. 4, расширил диапазон прямого измерения давления до 13 000 атм. В этом упрощенном манометре на цилиндр с измерительным поршнем действует само измеряемое давление, сжимая его и уменьшая протечку. Для того чтобы расширить диапазон измерения давления методом "свободного поршня" с 13 000 до 25 000-30 000 атм, нужно определить поправку на деформацию поршня и цилиндра непосредственно путем измерений, проведенных в сосуде высокого давления, т.к. при указанных давлениях эта деформация велика и не может быть точно рассчитана на основе теории упругости. Найденные прямым путем значения деформации позволяют внести соответствующие поправки в результаты измерения сжимаемости. При нынешнем уровне знаний и при существующих методах измерений давление до 30 000 атм. и вызываемые им эффекты можно будет, по-видимому, измерять с точностью, близкой к 0,1%. При более высоких давлениях неопределенности непрерывно возрастают и приходится прибегать к поправкам, основанным на экстраполяции. В настоящее время неустранимая неопределенность в начальной части диапазона давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер, составляет, по-видимому, всего лишь несколько процентов.

Динамические давления. Выше речь шла только о статических давлениях. Но наряду с ними имеются также динамические, или быстропеременные, давления, которые удобнее всего создавать в ударных волнах, возникающих при детонации бризантных взрывчатых веществ. В таких условиях могут достигаться давления, измеряемые миллионами атмосфер, хотя теоретически и это далеко не предел. На практике наиболее важные эксперименты до сих пор проводились при давлениях, не превышающих полумиллиона атмосфер. Длительность действия таких давлений измеряется микросекундами, так что здесь требуются, очевидно, совершенно новые методы измерения. Данная область исследований еще не стала полностью самостоятельной, и часто чувствуется необходимость в дополнении ее результатов измерениями, проведенными в статических условиях при более низких давлениях, особенно такими, как измерения сжимаемости металлов, выполненные в Лос-Аламосе Дж. Уолшем и его коллегами. Еще более высокие давления развиваются при ядерных взрывах - это поистине астрономические величины, равные давлению в центре звезд, которое может составлять сотни и тысячи миллионов атмосфер. Пока что они использовались только в исследованиях ядерной экскавации по проекту "Плоушер" Комиссии по атомной энергии США. Можно думать, что при таких давлениях свойства вещества радикально отличаются от того, что нам сейчас известно.

Физические эффекты. Были проведены широкие исследования влияния, оказываемого давлением на различные физические свойства вещества. При давлениях до 30 000 атм. оказалось возможным исследовать почти все физические свойства многих веществ в области температур, близких к комнатной. В диапазоне от 30 000 до 100 000 атм., а иногда и выше, круг измеряемых параметров был менее широк, но можно было исследовать влияние давления на объем, электросопротивление и фазовые изменения почти всех химических элементов и многих соединений, причем все это при температурах, не более чем на несколько сот градусов отличающихся от комнатной. Наиболее эффектным было влияние давления на фазовые превращения, которые обычно связаны с резким изменением кристаллической формы. Так, обычная вода под давлением обнаруживает семь разных форм твердой фазы, одна из которых устойчива при температурах выше 200° С, если давление поддерживается выше 45 000 атм. Металлический висмут под давлением претерпевает ряд фазовых превращений примерно такой же, как у воды. Почти все фазовые превращения, вызываемые давлением, обратимы, так что при снятии давления материал возвращается в исходное состояние. Но в некоторых случаях давление вызывает необратимые изменения. Наиболее разительный пример - фосфор, который под давлением в несколько десятков тысяч атмосфер может быть необратимо превращен в черный фосфор, проводящий электричество, с плотностью, на 50% превышающей плотность обычного желтого фосфора. Во второй половине 20 в. наблюдался очень быстрый прогресс в области давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер. Самым эффектным достижением явилось, несомненно, получение синтетических алмазов в СССР и США, для чего потребовалось совместить давления порядка 100 000 атм. с температурами от 2000 до 3000° С и достаточно долго поддерживать такие условия. Теперь имеется возможность синтезировать мелкие технические алмазы абразивного качества в необходимых количествах. Установка, на которой синтезируются алмазы, может быть приспособлена для изучения фазовых превращений и электросопротивления, и новая информация в этой области быстро накапливается. Так, например, под давлением порядка 100 000 атм. можно понизить температуру плавления германия на 500° С. Еще одно достижение, весьма важное в теоретическом отношении (т.к. оно, по-видимому, поможет глубже изучить свойства вещества), - разработанный Х.Дрикеймером из Иллинойсского университета способ изготовления из обычной каменной соли оптических окон, позволяющих исследовать оптические свойства различных материалов при давлениях, достигающих 200-300 тыс. атм. Суть его в том, что толщина цилиндрического окна должна быть много больше диаметра; тогда силы трения, действующие на цилиндрическую поверхность, не позволят деформировать ее силе давления, действующей на поперечное сечение цилиндра.

Составить слова из слова физика высоких давлений

Фи́зика Земли́ - комплекс наук, входящих в геофизику. В узком смысле геофизику понимают как физику Земли.

-----------------------------------

«Фи́зика Земли́» - ежемесячный научный журнал РАН, с 1965, Москва. Учредители (1998) - Отделение геологии, геофизики, геохимии и горных наук и Институт физики Земли РАН.

Составить слова из слова физика земли

Фи́зика мо́ря - см. в статье Океанология.

Составить слова из слова физика моря

ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР - раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97° С, 90,19 К). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого - в твердое. Поэтому получение, поддержание и изучение низких (криогенных) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей. В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из ожиженных газов.

Историческая справка. Первым систематически исследовать низкотемпературные проблемы и возможности ожижения газов начал в 1823 М. Фарадей. Он показал, что многие газы, например хлор, диоксид серы и аммиак, могут быть ожижены и при этом достигаются низкие температуры (до -110° С). Но многие другие газы, в частности кислород, азот, водород, углекислый газ и метан, не поддавались ожижению его методами даже при крайне высоких давлениях, за что позднее получили название постоянных газов. И только в 1877 Л.Кальете (Франция) и Р.Пикте (Швейцария) сообщили о том, что им удалось впервые ожижить один из постоянных газов - кислород. Теми методами, которыми действовали эти первые исследователи, можно было получить лишь легкий туман из жидкого кислорода, а таких количеств было недостаточно для экспериментов. Тем не менее их трудами было положено начало физике низких температур и показано, что постоянные газы не следует рассматривать как неожижаемые. К 1887 К.Ольшевскому и З.Врублевскому в Краковском университете и Дж.Дьюару в Лондонском королевском институте удалось получить в жидком виде многие постоянные газы, в том числе кислород, азот и моноксид углерода, в таких количествах, которые позволяли провести точные измерения и установить их низкотемпературные свойства. В 1894 Г.Камерлинг-Оннес в Лейденском университете (Нидерланды) построил установку для ожижения воздуха. Она тоже работала по каскадной схеме, которой ранее пользовались Пикте и Ольшевский с Врублевским. Криогенная лаборатория, которой заведовал Камерлинг-Оннес, позднее стала выдающимся центром физики низких температур.

В 1895 У.Гемпсон (Англия) и К. фон Линде (Германия) независимо друг от друга разработали новый метод ожижения воздуха, а затем более совершенные методы ожижения воздуха были найдены Ж.Клодом во Франции и К.Гейландтом в Германии. Этими работами был заложен фундамент промышленности разделения газов, в которой результаты низкотемпературных исследований нашли самое важное и самое широкое техническое применение. Впервые ожижить водород удалось в 1888 Дж. Дьюару - тем же методом, которым ранее Гемпсон ожижал воздух. Таким образом, к концу 19 в. были ожижены все постоянные газы, кроме гелия, и завершены измерения их точек кипения и других параметров. Ожижение гелия с массой 4 (гелия-4) осуществил Камерлинг-Оннес в 1908 методом, почти совпадавшим с методом ожижения воздуха Линде. Этим было не только установлено существование жидкой фазы для всех газов, но и открыта новая важная область низких температур. Позднее гелий был ожижен и другими методами, в частности разработанными в 1930 Ф. Саймоном, работавшим в Германии, и в 1934 П. Л. Капицей в Кембридже (Англия). Метод Капицы усовершенствовал в 1946 С. Коллинз (США). Гелий-3, получаемый как дочерний продукт распада радиоактивного трития, впервые удалось ожижить в 1948 в Лос-Аламосской научной лаборатории (США). Этот менее распространенный изотоп гелия дал возможность работать с жидкими ваннами, температура которых всего лишь на 0,25 К выше абсолютного нуля.

ОЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Каскадный процесс. Каскадный процесс был предложен швейцарским физиком Пикте и применен Ольшевским, Камерлинг-Оннесом и другими исследователями для достижения низких температур путем ожижения кислорода, азота и воздуха. Суть его в том, что температура понижается ступенями при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами. Принцип действия одной ступени каскадного процесса поясняется схемой рис. 1. Сначала выбирается вещество (аммиак, диоксид серы, диоксид углерода или метилхлорид), которое можно ожижить при комнатной температуре (температуре водяной ванны на рис. 1) только за счет сжатия. Особенности процесса таковы: 1) газ сжимается компрессором так, что превращается в жидкость в змеевике бака системы водяного охлаждения; 2) теплота сжатия отводится системой водяного охлаждения; 3) образовавшаяся жидкость пропускается через клапан в испаритель, где кипит при пониженном давлении (тепло, необходимое для испарения, отбирается у окружающей среды, и возможностями такого отбора тепла определяется холодопроизводительность машины); 4) испарившийся газ поступает на вход компрессора и снова сжимается.

Рис. 1. ПАРОКОМПРЕССИОННЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР. 1 - компрессор; 2 - вода; 3 - бак системы водяного охлаждения; 4 - дроссель; 5 - жидкость; 6 - испаритель (криостат).

Рабочим веществом первой ступени трехступенчатого каскадного процесса, примененного Камерлинг-Оннесом, был метилхлорид, а второй ступени - этилен. Первый испаритель служил для охлаждения входного сжатого этилена второй ступени, который ожижался в змеевике, погруженном в жидкий метилхлорид (-90° С). Испаритель второй ступени поддерживался при температуре около -160° С. В нем ожижался сжатый воздух третьей ступени. Каскадный процесс, ныне устаревший, непригоден для ожижения водорода и гелия. Дело в том, что нет криогенной ванны, которая обеспечивала бы температуру испарителя, необходимую для ожижения водорода или гелия только путем сжатия.

Методы Гемпсона и Линде. Принцип, положенный в основу методов Гемпсона и Линде, был подсказан открытием, сделанным Дж.Джоулем и У.Томсоном (Кельвином). В 1852 Джоуль и Томсон обнаружили, что при истечении сжатого газа, находящегося при комнатной температуре, через сужение трубопровода, например через полузакрытый клапан или пористую пробку, изменяется температура газа - большинство газов охлаждается, а некоторые (водород) слегка нагреваются. Позднее было уточнено: охлаждаются все газы, если достаточно низка их температура перед сужением. Температура, при которой эффект меняется на обратный (нагревание вместо охлаждения), получила название температуры инверсии. Она равна приблизительно 620° С для кислорода, 460° С для азота, -85,5° С для водорода и -222,7° С для гелия. Схема ожижителя, предложенного Гемпсоном, представлена на рис. 2. Воздух сжимается компрессором до давления 20 МПа и при комнатной температуре подается в теплообменник. Последний представляет собой герметичный металлический резервуар цилиндрической формы (теплоизолированный снаружи) со змеевиком внутри. Сжатый воздух, пройдя по змеевику, истекает через дроссельный клапан и при этом расширяется. Поскольку температура инверсии кислорода и азота намного выше комнатной, газ при расширении охлаждается. Охладившийся газ возвращается к компрессору уже через рубашку теплообменника, где, омывая змеевик, охлаждает сжатый воздух, идущий от компрессора. Благодаря наличию теплообменника обеспечивается регенерация (использование холода, производимого в самом процессе), и, непрерывно циркулируя, газ, истекающий из дросселя, в конце концов охлаждается настолько, что ожижается. В описанной простой машине при начальном давлении на клапане, равном 20 МПа, ожижается ок. 8% газа, циркулирующего в установке.

Рис. 2. ВОЗДУШНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ГЕМПСОНА. 1 - воздушный компрессор; 2 - теплообменник; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух.

Метод ожижения воздуха, разработанный Линде, отличается от метода Гемпсона лишь конструкцией теплообменника. Теплообменник установки Линде состоял из двух стальных труб диаметром 4 и 10 см и длиной 100 м, вставленных одна в другую и свернутых в спираль. Вся система была теплоизолирована овечьей шерстью. Сжатый воздух проходил сначала по внутренней трубе, а затем шел обратно по кольцевому зазору между трубами.

Ожижение водорода и гелия. По тому же принципу, что и воздушные ожижители Гемпсона и Линде, действовали ожижитель водорода, созданный Дьюаром, и ожижитель гелия, сконструированный Камерлинг-Оннесом. Из-за низкой температуры инверсии приходилось охлаждать газ высокого давления на входе в теплообменник. Для водорода наиболее эффективным оказалось предварительное охлаждение газа, поступающего под давлением 15 МПа, жидким воздухом, кипящим при пониженном давлении (температура ниже -200° С). В случае гелия максимальная эффективность достигалась при давлении 3 МПа, а температура предварительного охлаждения, равная -259° С, поддерживалась за счет кипения жидкого водорода, тоже при пониженном давлении. Схема ожижителя Дьюара представлена на рис. 3.

Рис. 3. ВОДОРОДНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ДЬЮАРА. 1 - сжатый водород; 2 - вход газообразного водорода; 3 - управление дросселем; 4 - выход газообразного водорода; 5 - жидкий водород; 6 - дроссель; 7 - жидкий воздух; 8 - углекислота.

Метод Клода. В методе, разработанном Клодом и Гейландтом, для охлаждения была применена поршневая машина, в которой сжатый газ расширяется, совершая работу против внешних сил. Если такое расширение происходит в адиабатических условиях (т.е. без теплообмена с окружающей средой, что приблизительно выполняется при быстром расширении), то газ совершает работу за счет своей внутренней энергии. Уменьшение внутренней энергии газа проявляется в понижении его температуры. Схема установки представлена на рис. 4. Воздух, поступающий под высоким давлением из компрессора, проходит через первый теплообменник E1, после чего его поток разделяется. Около 20% идет на теплообменник E2, а остальная часть подается на расширительную машину, или детандер, где воздух охлаждается. С выхода детандера охлажденный воздух отводится на сторону низкого давления теплообменника E2, где он регенеративно охлаждает поступающий газ высокого давления. Охлажденный газ с температурой ок. -140° С, выходящий из E2, поступает на вход теплообменника E3, а затем проходит через дроссельный клапан и ожижается, как и в установках Гемпсона и Линде. Последняя стадия процесса, на которой используется эффект Джоуля - Томсона, введена для предотвращения ожижения в детандере, так как последнее вызвало бы трудности со смазкой.

Рис. 4. ВОЗДУШНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ КЛОДА. 1 - воздушный компрессор; 2 - детандер; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух.

При дальнейшем усовершенствовании данного метода поршневой детандер был заменен турбинным (турбодетандером). Метод Клода был применен также для ожижения гелия Капицей и Коллинзом. Первый предварительно охлаждал гелий жидким азотом, а второму удалось обойтись без предварительного охлаждения благодаря системе двух поршневых детандеров. Детандеры работали без смазки (так как их рабочая температура составляла -244 и -263° С), а для уменьшения износа цилиндров последние были выполнены из азотированных сталей (нитраллоев).

Метод Саймона для гелия. Почти так же, как и в методе ожижения, предложенном Кайлете, в методе Саймона используется адиабатическое расширение сильно сжатого газа. Такой метод очень подходит для ожижения гелия, поскольку благодаря низким рабочим температурам (от -262° С в начале расширения до -269° С в конце) теплоемкость сосуда ничтожно мала по сравнению с теплоемкостью газа. Схема ожижителя представлена на рис. 5. Газообразный гелий сжимается в толстостенном медном сосуде до давления ок. 15 МПа и охлаждается до -262° С (11 К) твердым водородом, который находится в сосуде, расположенном непосредственно над сосудом с гелием. Стадии процесса таковы: 1) теплота сжатия гелия отбирается водородом; 2) сжатый гелий теплоизолируется от окружающей среды путем откачки металлической вакуумной рубашки сосуда и в газообразном виде выпускается через узкую трубку в газгольдер, находящийся при комнатной температуре; 3) при расширении в газгольдере гелий ожижается, и жидкость примерно на 70% заполняет медный сосуд.

Рис. 5. ГЕЛИЕВЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ САЙМОНА. 1 - сжатый гелий (жидкость); 2 - жидкий и твердый водород; 3 - сосуд Дьюара; 4 - жидкий водород; 5 - вход сифона для жидкого водорода; 6 - газовый термометр; 7 - исследуемый образец, погруженный в жидкий гелий.

Температуры до -261° С (12 К) и ниже можно также получать и поддерживать при помощи механических криорефрижераторов, без ожижения газов. Такие рефрижераторы все шире применяются в низкотемпературных исследованиях. Недавно они были усовершенствованы путем применения цикла Стирлинга в маломасштабной криорефрижераторной технике и использования цикла Вюйлемье. Вариант криорефрижератора с циклом Стирлинга, предложенный Дж.Даунтом, схематически изображен на рис. 6. Компрессор снабжен ребрами для теплообмена с окружающей средой, а поршневой детандер находится в прямом теплообмене с охлаждаемым телом (нагрузкой). Компрессор соединен с детандером через регенератор без промежуточных клапанов. Рабочим веществом служит, как правило, газообразный гелий под давлением около 1,5 МПа. Компрессор и детандер работают со сдвигом по фазе ок. 90°, благодаря чему детандер поддерживает режим чистого охлаждения. В одноступенчатой схеме, представленной на рис. 6, предельная температура составляет -253° С (20 К). Каскадная система из устройств подобного типа позволяет достичь еще более низких температур при высоком КПД.

Рис. 6. СОВРЕМЕННЫЙ КРИОРЕФРИЖЕРАТОР СТИРЛИНГА. 1 - цилиндр компрессора; 2 - ребра охлаждения; 3 - регенератор; 4 - холодная головка; 5 - теплоизоляция; 6 - цилиндр детандера.

В принципе в криорефрижераторах можно было бы использовать термоэлектрический эффект Пельтье и гальвано-термомагнитные эффекты Нернста и Эттингаузена. Такие методы представляются весьма привлекательными, поскольку носят немеханический характер и позволяют иметь дело лишь с твердыми (полупроводниковыми) материалами в качестве рабочего вещества. К сожалению, подобные устройства пока что не отличаются высоким КПД и не дают возможности достигать криогенных температур без ожижения газов. Они требуют разработки новых материалов.

УСПЕХИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Техника низкотемпературного ожижения позволяет получать из воздуха чистый кислород и чистый азот. Чистый кислород применяется в медицине, авиации и ракетно-космической технике, для сварки и резки стали, в доменных печах и бессемеровских конвертерах (для повышения выхода стали). Инертные газы, такие, как неон и аргон, широко применяемые в электрических лампах всех видов и при электросварке, в чистом виде могут быть получены только низкотемпературными (криогенными) методами.

Фундаментальные исследования. Измерения удельной теплоемкости твердых веществ при низких температурах, проведенные В.Нернстом и Камерлинг-Оннесом с сотрудниками, убедительно свидетельствовали в пользу квантовой теории. Результаты измерений подтвердили предложенную А.Эйнштейном и видоизмененную П.Дебаем теорию, которая была основана на законах квантовой физики. На рис. 7 представлен график зависимости удельной теплоемкости Cv золота, меди и алюминия от температуры. Температура отложена в градусах шкалы Кельвина, теперь называемой термодинамической шкалой, по которой точке плавления льда соответствует температура 273,16 К. Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости дали много ценной информации о твердом состоянии вещества. Два наиболее важных вывода таковы: во-первых, электроны в металлах вносят свой вклад в удельную теплоемкость, причем он прямо пропорционален термодинамической температуре, как это теоретически предсказал А.Зоммерфельд; во-вторых, измеряя удельную теплоемкость, можно исследовать те изменения кристаллической и молекулярной структуры, которые часто происходят в твердых веществах при понижении температуры.

Рис. 7. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ Cv в зависимости от термодинамической температуры для проводящих металлов - золота, меди и алюминия.

Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости газов внесли ясность в вопрос об их молекулярном строении, а в случае водорода и дейтерия дали информацию о свойствах ядер этих элементов. Был разработан также метод расчета химического равновесия на основе третьего начала термодинамики. Трудно переоценить значение низкотемпературных калориметрических измерений для разработки новых химических процессов, а также для анализа оптимальных условий их протекания.

ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Электросопротивление. Как показали низкотемпературные измерения, электросопротивление чистых металлов приблизительно линейно уменьшается с понижением температуры. На рис. 8 представлен график температурной зависимости удельного сопротивления r (отнесенного к удельному сопротивлению r0 при 0° С) для платины, меди и железа. При температурах, приближающихся к абсолютному нулю, удельное сопротивление этих металлов стремится к постоянному значению. Это остаточное сопротивление при достаточно низких температурах зависит от содержания примесей в металле и от степени его деформации. Чем меньше примесей и чем меньше деформация, тем меньше и остаточное сопротивление. В 1911 Камерлинг-Оннес сделал важное открытие: электросопротивление ртути резко падает до нуля при температурах ниже 4,24 К (-268,9° С). Это явление, названное сверхпроводимостью, продемонстрировано на графике рис. 9. Позднее эффект сверхпроводимости был обнаружен и во многих других металлах. Сверхпроводимость и сейчас остается предметом углубленных исследований, экспериментальных и теоретических. Последовательную теорию сверхпроводимости предложили в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер. Эффект нашел применение в измерительной и вычислительной технике, в сверхпроводящих магнитах и других устройствах.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Рис. 8. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ r/r0 платины, меди и железа - температурная зависимость при низких температурах.

Рис. 9. СОПРОТИВЛЕНИЕ РТУТИ, зависимость от температуры. График, полученный в 1911 нидерландским физиком Г.Камерлинг-Оннесом.

Жидкий гелий. Измерения удельной теплоемкости и других характеристик жидкого гелия-4, проведенные В.Кеезомом и его сотрудниками в Лейдене, показали, что при 2,18 К наблюдается некое превращение. Выше указанной температуры, до точки кипения, равной 4,2 К, жидкий гелий ведет себя как нормальная жидкость. Но ниже 2,18 К он обнаруживает аномальные свойства: 1) остается жидким до абсолютного нуля, переходя в твердое состояние только после сжатия под давлением 2,5 МПа; 2) протекает по узким капиллярам, не обнаруживая вязкости, за что позднее был назван сверхтекучим; 3) на поверхностях, окунутых в него, образует "толстые" пленки (толщиной в 100 атомов), которые способны течь по поверхности без вязкого сопротивления; 4) стремится перетекать с холодных участков на теплые. В связи с последним обстоятельством возникло понятие "второго звука". Обычный, или "первый", звук - это волна давления, тогда как второй звук представляет собой тепловую волну в сверхтекучем гелии (названном гелием II), возникающую вследствие местного нагревания (или охлаждения) жидкости. В теоретическую интерпретацию поведения гелия II внесли свой вклад Ф. Лондон, Л. Тиса, Л. Д. Ландау и Р. Фейнман. Явление сверхтекучести, обнаруживающееся не только в поведении гелия II, но и в безвязкостном течении носителей тока в сверхпроводниках, считается специфическим для физики низких температур. В 1972 в жидком гелии-3 (менее распространенном из двух изотопов гелия) были обнаружены необычные переходы при температурах ниже трех милликельвинов (0,003 К). Позже было экспериментально было показано, что это переходы в состояние сверхтекучести. То обстоятельство, что оба встречающихся в природе изотопа гелия (с массами 3 и 4) практически до абсолютного нуля остаются жидкими при давлении своих насыщенных паров, привлекло внимание исследователей к свойствам их взаимных растворов при крайне низких температурах. Оказалось, что такие растворы на диаграмме состояния разделяются на фазу, богатую гелием-3, и фазу, богатую гелием-4, которые находятся в равновесии друг с другом при температурах ниже 0,8 К. Аналогичное разделение изотопных фаз было отмечено в твердых смесях гелия-3 с гелием-4 ниже 0,37 К; данный эффект тоже специфичен для физики низких температур.

Магнитные эффекты. Установлено, что парамагнитные соли, такие, как сульфат гадолиния и железные квасцы, до самых низких температур, достижимых с использованием жидкого гелия, подчиняются закону Кюри. Согласно этому закону, магнитная восприимчивость обратно пропорциональна термодинамической температуре. Поэтому изменения магнитных свойств таких солей очень заметны при низких температурах. Благодаря этому такие соли могут служить рабочим веществом для вторичной термометрии и, что еще важнее, для достижения температур ниже тех, которые можно получить с одним лишь жидким гелием. Метод магнитного охлаждения (рис. 10) был предложен независимо П.Дебаем и У.Джиоком. Он основан на том, что входящие в состав парамагнитных солей магнитные ионы ориентируются в магнитном поле. Соль намагничивают при низкой температуре (около 1,0 К) так, чтобы магнитные ионы практически полностью "выстроились" в направлении магнитного поля, а выделяющаяся при этом теплота намагничивания отбирается жидким гелием, окружающим соль. По окончании намагничивания соль теплоизолируют от ее окружения и выключают магнитное поле. Происходит адиабатическое размагничивание, которое и приводит к понижению температуры соли. Предельные температуры, достижимые таким методом, составляют 10-3-10-2 К.

Рис. 10. МЕТОД МАГНИТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ. 1 - витки магнитного термометра; 2 - полюсные наконечники магнита; 3 - жидкий водород; 4 - сосуд Дьюара; 5 - жидкий гелий; 6 - парамагнитная соль.

В 1949 Дж. Даунт и К. Геер (США) предложили идею устройства, в котором магнитное охлаждение могло бы циклически повторяться, благодаря чему низкая температура поддерживалась бы сколь угодно долго. Для такого устройства требовались "тепловые ключи" из сверхпроводящих металлов. Первое устройство подобного рода, позволявшее поддерживать температуры до 0,25 К, было создано в 1953. Еще в 1934 некоторые исследователи высказали мысль, что для магнитного охлаждения можно использовать магнитные моменты не ионов, а атомных ядер. Теоретические расчеты показывали, что если начинать охлаждение с температуры ок. 10-2 К, то можно будет достичь температур порядка 10-5 и даже 10-6 К. В 1956 ученым из Оксфордского университета удалось осуществить ядерное магнитное охлаждение: воздействуя на ядра металлической меди, они получили температуры до 2Ч10-5 К.

Криостат растворения. В 1960 было высказано предположение, что получать и сколь угодно долго поддерживать температуры порядка 10-3 К можно путем растворения жидкого гелия-3 в жидком гелии-4. В последующие годы было создано много криостатов растворения, способных длительно поддерживать температуры ниже 0,010 К. То, что криостаты растворения могут охлаждать сравнительно большие образцы до очень низких температур в непрерывном режиме, дает им некоторое преимущество перед установками с магнитным охлаждением. Криостат растворения может служить для отвода теплоты при температуре ок. 0,015 К на первой ступени установки ядерного магнитного охлаждения. Системы, в которых криостат растворения сочетается со ступенью ядерного магнитного охлаждения, применяются для поддержания температур порядка 0,001 К при исследовании сверхтекучести жидкого гелия-3.

Компрессионное охлаждение гелия-3. Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твердого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твердую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И.Я.Померанчуком в 1950 и экспериментально подтвержден Ю.Д.Ануфриевым в 1965. С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием. В 1986 в "ИБМ лэбораторис" (Цюрих) К. Мюллер и Дж. Беднорц, экспериментируя с керамическим проводником La - Ba - Cu - O, открыли явление высокотемпературной сверхпроводимости (температура перехода в сверхпроводящее состояние для этого керамика составила 35 К). Вскоре было найдено много керамических материалов с температурой перехода 90-100 К, которые сохраняли сверхпроводимость в магнитных полях до 200 кГс. Применение керамических сверхпроводящих материалов в последнее время принимает промышленные масштабы, поскольку их можно охлаждать недорогим жидким азотом.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

ЛИТЕРАТУРА

Ардашев В. И. Измерения низких температур. М., 1975 Лоунасмаа О. Принципы и методы получения температур ниже 1 К. М., 1977 Гейликсман Б. Т. Исследования по физике низких температур. М., 1979 Справочник по физико-техническим основам криогеники. М., 1985 Капица П. Л. Научные труды. Физика и техника низких температур. М., 1989

Составить слова из слова физика низких температур

Фи́зика твёрдого те́ла - область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твёрдого тела и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства.

* * *

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА - ФИ́ЗИКА ТВЕРДОГО ТЕ́ЛА, область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твердых тел (см. ТВЕРДОЕ ТЕЛО) и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства. Это наука о строении и практическом использовании веществ в твердом состоянии. Знание атомно-молекулярной структуры твердого тела, характера движения составляющих его частиц, объясняет наблюдаемые явления и позволяет предсказывать еще не открытые свойства твердых тел, а также целенаправленно изменять их структуру и синтезировать новые вещества с уникальным набором свойств. Именно физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными физическими свойствами (механической прочности, теплостойкости, электрических, оптических и магнитных характеристик).

Понимание большинства явлений в твердых телах возможно только на основе представлений квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) и статистической физики (см. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА). Наиболее полно разработана квантовая теория кристаллов, использующая понятие о квазичастицах (см. КВАЗИЧАСТИЦЫ). Знание атомной структуры твердых тел и характера движения частиц в них (энергетический спектр) позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность - электронами проводимости и фононами; некоторые особенности поглощения света в диэлектриках - экситонами (см. ЭКСИТОН); ферромагнитный резонанс - магнонами (см. МАГНОН) и т. д. Макроскопические характеристики материала при этом выражаются через характеристики квазичастиц. Понимание механизма микропроцессов позволяет их широко использовать. Например, туннельный эффект (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ) наблюдается для микрообъектов, используется же в макроскопических устройствах (электронных приборах, туннельных диодах, пленочных излучателях). Использование представлений о квантовании энергии электронов в потенциальной яме и распределении их по состояниям позволяет решить ряд важных практических задач, касающихся подсчета числа носителей заряда, которые могут участвовать в электрическом токе. Квантовая статистика позволяет понять и основные явления, протекающие при сверхпроводимости твердых тел.

Особое значение в физике твердого тела имеет зонная теория (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ) энергетических состояний электронов в кристаллах. Она дает возможность понять природу целого ряда электрических и оптических явлений. На ее основе объясняются электрические свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, а также оптические и магнитные свойства твердых тел. Развивается физика высокотемпературной сверхпроводимости и физика аморфных твердых тел. Физика твердого тела изучает процессы, происходящие в твердом теле при сильных воздействиях - взрыве, быстрой закалке, пластической деформации, механическом сплавлении, лазерном и радиационном воздействии. Сочетание разных методов и разных способов воздействия на вещество приводит к возможности получения совершенно новых свойств вещества, область применения которых в высоких технологиях обширна - например, в электронике, строительстве турбин и т.д.

Физика твердого тела разделилась на ряд областей. Выделяются объекты исследования (физика металлов, физика полупроводников и диэлектриков, физика магнетиков и др.), методы исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия твердого тела и т. п.), определенные свойства твердых тел (явление сверхпроводимости, механические, тепловые и т. д.). Физика твердого тела обладает специфическими методами исследования и использует определенный, достаточно сложный математический аппарат.

Развитие физики твердого тела и таких ее разделов, как физика металлов, кристаллофизика, физика полупроводников и диэлектриков привело к появлению новых научно-технических направлений (полупроводниковая электроника (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА), микроэлектроника (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА), оптоэлектроника (см. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА)), достижения которых сейчас широко известны (разнообразные миниатюрные полупроводниковые приборы, тонкопленочные структуры, устройства, использующие одновременно свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, оптические, электрические и магнитные устройства памяти, волоконнооптическая телефонная связь, люминесцентные экраны). Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надежных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т. д. Большое значение имеет изучение физики полимеров, в частности сложных полимерных структур, содержащих особые зоны, которые могут менять свойства полимеров и биополимеров.

-----------------------------------

«Фи́зика твёрдого те́ла» («ФТТ»), ежемесячный научный журнал РАН, с 1959, Санкт-Петербург. Учредители (1998) - Отделение общей физики и астрономии и Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН.

Составить слова из слова физика твёрдого тела

"ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА" - область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твердых тел и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства.

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА - раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика твердого тела - один из тех столпов, на которых покоится современное технологическое общество. В сущности, вся армия инженеров работает над наилучшим использованием твердых материалов при проектировании и изготовлении самых разнообразных инструментов, станков, механических и электронных компонентов, необходимых в таких областях, как связь, транспорт, компьютерная техника, а также фундаментальные исследования. Исследователя, работающего в области физики твердого тела, интересуют такие материалы, как металлы и сплавы, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы. Многие из них относятся к кристаллическим веществам: их атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную решетку - периодическую структуру. Нарушения идеальной периодичности могут быть обусловлены химическими примесями, незаполненными (вакантными) атомными узлами, атомами внедрения (в промежутках между узлами), а также дислокациями. Во многих случаях подобными нарушениями или отклонениями от строгой периодичности существенным образом определяются физические свойства кристаллических твердых тел. Управляя концентрацией подобных дефектов или целенаправленно создавая их, можно получать "наперед заданные" свойства твердых тел. Такая технология играет первостепенную роль, например, в области полупроводниковой микроэлектроники. Другой класс материалов, представляющий интерес для физики твердого тела, - это стеклообразные, или аморфные, материалы. Атомы в таких материалах располагаются в общем так же, как и в жидкостях, т.е. они упорядочены лишь в пределах нескольких межатомных расстояний от каждого атома, принятого за центральный. Иначе говоря, для стекол характерен ближний порядок в расположении атомов, а не дальний, как в кристаллической структуре.

См. также

КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ;

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

К физическим свойствам твердых тел относятся механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические свойства. Их изучают, наблюдая, как ведет себя образец при изменении температуры, давления или объема, в условиях механических напряжений, электрических и магнитных полей, температурных градиентов, а также под воздействием различных излучений - света, рентгеновских лучей, пучков электронов, нейтронов и т.п. Значительная часть лабораторного оборудования, необходимая для изучения этих свойств, сама состоит из твердотельных устройств. Химические свойства твердых тел особенно существенны при изучении поверхностных явлений.

См. также

ХИМИЯ;

ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ.

Структура. Твердое тело состоит из атомов. Само его существование указывает на наличие интенсивных сил притяжения, связывающих атомы воедино, и сил отталкивания, без которых между атомами не было бы промежутков. В результате таких взаимодействий атомы твердого тела частично теряют свои индивидуальные свойства, и именно этим объясняются новые, коллективные свойства системы атомов, которая называется твердым телом. Какова природа этих сил? Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов (масса которых значительно меньше массы ядра). Хорошо известные кулоновские (электрические) силы, действующие между заряженными частицами, создают притяжение между ядром и электронами, а также взаимное отталкивание между электронами. Поэтому твердое тело можно рассматривать как состоящее из системы взаимно отталкивающихся ядер и системы взаимно отталкивающихся электронов, причем обе эти системы притягиваются друг к другу. Физические свойства такого объекта определяются двумя фундаментальными физическими теориями - квантовой механикой и статистической механикой. Хотя характер взаимодействий между частицами известен, их необычайно большое число (ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА1022 ядер и еще больше электронов в 1 см3) не позволяет дать точное теоретическое описание твердого тела.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ;

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА.

Использование моделей. В физике твердого тела обычно принимают упрощенные модели твердого тела и затем проводят вычисления их физических свойств. Модели должны быть достаточно простыми, для того чтобы было возможно их теоретическое описание, и в то же время достаточно сложными, для того чтобы они обладали исследуемыми свойствами. Например, для объяснения некоторых общих закономерностей электрической проводимости вполне подходит простая модель металла в виде системы положительных ионов, погруженных в газ подвижных электронов. Но оказалось крайне трудно построить подходящую физическую модель, которая позволила хотя бы качественно объяснить явление сверхпроводимости, открытое в 1911 голландским физиком Камерлинг-Оннесом. См. также ИОН.

Сверхпроводимость. Известно, что при низких температурах у многих металлов и сплавов необычайно повышается способность проводить электричество. (Электрический ток представляет собой упорядоченное движение электронов.) В 1956 американский физик Л. Купер пришел к выводу, что при определенных условиях электроны проводимости в металле могут образовывать слабо связанные пары. Именно эти куперовские пары лежат в основе знаменитой теории сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ), построенной в 1957; в 1972 эти три американских физика были удостоены Нобелевской премии. В сверхпроводящем состоянии вещество не оказывает сопротивления электрическому току. Поэтому сверхпроводящие вещества представляют большой интерес для энергетиков, которые рассчитывают с их помощью, например, передавать электрический ток на значительные расстояния без тепловых и иных потерь. Однако выше определенной (так называемой критической) температуры сверхпроводимость исчезает, и у металла вновь появляется электрическое сопротивление. В некоторых условиях сверхпроводимость разрушается также магнитным полем. Электрический ток, проходящий через сверхпроводник, создает на поверхности собственное магнитное поле, а потому существует верхний предел плотности сверхпроводящего тока, выше которого сверхпроводимость также разрушается. Все это, и в первую очередь низкие критические температуры, ограничивает возможности широкомасштабного применения сверхпроводников. Сверхпроводники необходимо непрерывно охлаждать жидким водородом, а еще лучше жидким гелием. Тем не менее, сверхпроводящие обмотки (например, из сплавов титана с ниобием) уже нашли широкое применение в электромагнитах. Продолжается поиск новых материалов (в том числе органических кристаллов и полимеров) с более высокими критическими температурами, а также возможностей дальнейшего применения сверхпроводников. Специалисты надеются, что широкомасштабное применение сверхпроводников в электродвигателях и генераторах промышленного производства начнется уже в ближайшие годы. Особенно захватывающие перспективы сулит применение сверхпроводников в рельсовом транспорте. При движении магнита относительно проводника в проводнике индуцируются вихревые токи, которые в свою очередь порождают магнитные поля, отталкивающие движущийся магнит. Снабдив, например, поезд сверхпроводящим магнитом и используя рельс в качестве проводника, можно добиться эффекта магнитного подвешивания (левитации). Такие поезда на магнитной подвеске должны, как считается, иметь ряд преимуществ перед обычными поездами и поездами на воздушной подушке.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Джозефсона. Другое направление развития в области сверхпроводимости было инициировано работой английского физика Б.Джозефсона, который в 1962 предсказал возможность удивительных эффектов, связанных с прохождением (квантовомеханическим туннелированием) куперовских электронных пар от одного сверхпроводника к другому сквозь тонкий слой изолирующего вещества. Эксперименты вскоре подтвердили его предсказания. Одним из интересных свойств такого перехода (называемого джозефсоновским) является то, что ток куперовских пар через него возможен даже в отсутствие разности потенциалов между сверхпроводниками. (Согласно классическим представлениям, электрический ток возникает лишь между точками с разными значениями потенциала.) Однако еще более разительный эффект состоит в том, что постоянная разность потенциалов, приложенная к джозефсоновскому переходу, вызывает возникновение переменного тока через переход. Частота этого тока дается простой формулой n = 2eV/h, где 2e - заряд куперовской электронной пары, V - приложенное напряжение, а h - фундаментальная константа, называемая постоянной Планка.

См. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ. Неудивительно, что за теоретическими предсказаниями Джозефсона последовала волна исследований в физике и технике. Устройства, основанные на эффекте Джозефсона, нашли применение в качестве сверхчувствительных детекторов в самых различных областях от радиоастрономии до биомедицинских приложений. В 1973 Джозефсону была присуждена Нобелевская премия за вклад в физику твердого тела.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Транзисторы. Возможно, наибольшее влияние на развитие современной физики твердого тела оказали открытия американских физиков, сделанные в 1949: транзистора с точечными (Дж.Бардин, У.Браттейн) и плоскостными (У.Шокли) переходами. Эти открытия были сделаны в ходе исследования электрических свойств особого класса твердых тел, называемых полупроводниками.

См. также ТРАНЗИСТОР. Транзистор был первым полупроводниковым устройством, способным выполнять такие функции вакуумного триода (состоящего из анода, катода и сетки), как усиление и модуляция. Транзистор обладал несомненными преимуществами перед электронной лампой, поскольку не нуждался в токе накаливания катода, имел значительно меньшие размеры и массу, а также больший срок службы. Поэтому транзисторы вскоре вытеснили электронные лампы и произвели революцию в электронной промышленности. Второй этап этой революции соответствовал переходу от отдельных транзисторов к интегральным микросхемам. Такая микросхема содержит на поверхности монокристалла кремния (чипа) площадью 1 мм2 многие тысячи схемных компонентов. Электротехнику на микроскопическом и атомном уровне обычно называют микроэлектроникой. За свои фундаментальные исследования в области полупроводников и открытие транзисторного эффекта в веществах типа германия и кремния Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии в 1956.

См. также

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ;

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА;

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. Широкий диапазон свойств твердых тел, широта области их технического применения, а также практически неисчерпаемые возможности создания новых твердых химических соединений выдвигают физику твердого тела на одно из первых мест в таких дисциплинах, как физика, химия, металлургия, различные области инженерной практики, а также биологические и медицинские науки. Физика твердого тела является самой крупной из областей физики; в ней занята примерно четверть всех работающих в физике исследователей, и ей посвящена соответствующая доля научных публикаций. Особенно ценны междисциплинарный характер физики твердого тела и плодотворное влияние, оказываемое ее теорией, экспериментами и практическими приложениями как на чистую науку, так и на технику.

Симметрия и классификация кристаллов. Кристаллографией (в несколько ограниченном смысле слова) называется наука, описывающая геометрические свойства кристаллов и их классификацию на основе понятия симметрии. Изучение кристаллической структуры лежит в основе физики твердого тела. Основная сумма данных кристаллографии была накоплена уже к концу 19 в.

См. также КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. Образцы природных минералов, например берилла, алмаза или каменной соли, имеют плоские грани и прямые ребра, определяющие их типичный внешний вид (рис. 1). Такие вещества принято называть кристаллами, хотя еще до конца средних веков этот термин применялся исключительно к кварцу. Первые минералоги интересовались прежде всего именно формой кристаллов, т.е. их морфологией. Н.Стенон, датский лекарь при дворе великого герцога Тосканы и исследователь в области геологии, в 1669 открыл закон постоянства углов между гранями. Согласно закону Стенона, углы между соответствующими гранями кристалла данного вещества одни и те же для всех его кристаллов. Справедливость этого закона была многократно подтверждена, в особенности после многочисленных измерений, проведенных Р.де Лилем в 1772. Задолго до этого такие ученые, как Кеплер, Декарт, Гюйгенс и Гук, высказывали предположения о том, что внешние формы кристаллов отражают правильное (регулярное) внутреннее расположение сферических или эллипсоидальных частиц. В 1782 Р. Аюи обобщил эти представления. Он считал, что трехмерный кристалл, имеющий форму параллелепипеда, состоит из одинаковых "кирпичиков". Исходя из такого представления, Х.Вейсс в 1808 ввел систему кристаллографических осей, определяемую тремя векторами a, b, c, которые соответствуют трем сторонам "кирпичика" Аюи, т.е. элементарной ячейки. Бесконечное множество точек (узлов), положение которых определяется вектором R = n1a + n2b + n3c, где n1, n2 и n3 - целые числа, называется пространственной решеткой. Такая решетка - не кристалл, а чисто математический объект. Однако с ее помощью можно построить кристалл, если в каждый ее узел поместить повторяющийся элемент, состоящий из одного или нескольких атомов (рис. 2). И наоборот, можно построить пространственную решетку, соответствующую кристаллу, если выбрать произвольную точку (узел) P1, а затем найти все остальные точки P2, P3, ..., обладающие тем свойством, что окружение этих точек выглядит во всех отношениях в точности так же, как оно выглядит из точки P1. Множество точек P1, P2, P3, ... в таком случае образует пространственную решетку кристалла. Классификация решеток и кристаллов на основе понятия симметрии требует строгих определений. Операцией симметрии называется такая операция, которая, будучи произведена над твердым телом, оставляет это тело неизменным, и тогда это тело называется инвариантным относительно этой операции. (Например, сфера инвариантна по отношению к вращению вокруг любой оси, перемещению из одного места в другое, отражению в зеркале и т.п.) Если двумерную решетку на рис. 2 подвергнуть перемещению, задаваемому вектором a, то мы вновь получим исходную решетку; то же справедливо, разумеется, и по отношению к перемещению, задаваемому вектором b. Вообще говоря, решетка с элементарной ячейкой, заданной тремя векторами a, b, c, инвариантна относительно всех операций трансляции (переноса), определяемых равенством T = n1a + n2b = n3c, где n1, n2, n3 - целые числа. Совокупность всех таких операций называется трансляционной группой данной решетки.

Рис. 2. КРИСТАЛЛ можно построить, поместив в каждую точку пространственной решетки атом или группу атомов.

Существуют и другие операции симметрии для пространственной решетки, а именно те, при которых данная точка остается фиксированной (неподвижной). Подобные операции называются точечными и включают в себя вращения вокруг осей, проходящих через данную точку, а также зеркальные отражения в плоскостях, проходящих через данную точку. В случае двумерной решетки, изображенной на рис. 2, можно представить себе, например, ось, проходящую через какую-либо точку решетки перпендикулярно плоскости рисунка. Поворот вокруг этой оси на 180° не меняет решетку. Принято говорить, что такая ось обладает симметрией 2-го порядка. В общем случае тело обладает осью симметрии n-го порядка, если поворот тела на угол (360°/n) оставляет тело неизменным. Например, каждая пространственная диагональ куба является для него осью симметрии 3-го порядка, а ось, проведенная через центр куба перпендикулярно какой-либо паре его граней, является осью симметрии 4-го порядка. Полный набор операций симметрии, возможных при условии неподвижности данной точки и оставляющих тело неизменным, называется точечной группой этого тела. Для пространственной решетки или кристалла точечная симметрия ограничена требованием выполнения также трансляционной симметрии. Это сокращает число возможных осей вращения до четырех, обладающих соответственно симметрией 2-, 3-, 4- и 6-го порядков. Рисунок 3 поясняет, почему, например, решетка не может обладать осью симметрии 5-го порядка: плоскость нельзя покрыть пятиугольниками.

Рис. 3. ПЯТИУГОЛЬНИКИ не могут заполнить всю плоскость.

Существует лишь семь различных точечных групп для пространственных решеток; ими определяются семь кристаллических систем, или сингоний. Каждая сингония может быть охарактеризована видом элементарной ячейки, т.е. углами a, b, g между осями a, b, c и соотношением длин этих осей. Классификация соответствующих типов элементарных ячеек и наименования соответствующих кристаллических сингоний приведены ниже; обозначения ребер и углов ячеек соответствуют рис. 4.

Рис. 4. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА, основной "кирпичик" кристалла.

Полная группа симметрии, или пространственная группа кристалла, является совокупностью всех операций симметрии (точечных операций, трансляций, а также их всевозможных комбинаций), по отношению к которым решетка инвариантна. Существует 14 различных пространственных групп, которыми может обладать решетка; им соответствуют 14 различных пространственных решеток (рис. 5). Впервые эти решетки были описаны Браве в 1848 на основе тщательного геометрического анализа и носят его имя. (Каждая решетка Браве принадлежит к одной из семи кристаллических сингоний.)

Рис. 5. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЯЧЕЙКИ всех 14 основных видов.

Переходя от формального теоретического описания симметрии решетки к описанию реального кристалла, необходимо учитывать также симметрию атомов или атомных групп, помещаемых в каждый узел решетки. Тогда оказывается, что для кристаллов существует в общей сложности 230 различных пространственных групп (по-прежнему при 14 различных типах решеток Браве). Эти группы были получены и описаны на основе теории групп Е.С.Федоровым и С.Шенфлисом в 1891. Интересное развитие теория симметрии кристаллов получила применительно к магнитным кристаллам. В магнитно-упорядоченном состоянии периодичность определяется не только положением атомов, но и направлением их магнитных моментов. Поэтому число магнитных пространственных групп должно быть намного больше 230. Полное число магнитных пространственных групп симметрии равно 1651. Для описания симметрии макроскопических свойств кристалла выделяют определенные совокупности преобразований симметрии, составляющие так называемый "магнитный кристаллический класс" кристалла. Всего существует 122 таких класса.

См. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Хотя кристаллография сама по себе является довольно абстрактной областью науки, симметрия играет важную роль при описании физических свойств твердых тел. Например, трансляционная симметрия кристаллов позволила развить весьма общие теории, описывающие распространение волн в кристаллах, в том числе упругих волн и волн, связанных с движением электронов. Точечная симметрия также оказывает определяющее влияние на физические свойства кристаллов. В качестве примера можно указать на наличие сегнетоэлектрических свойств, в отсутствие внешнего электрического поля, лишь у кристаллов, не обладающих центром симметрии. Анизотропия физических свойств кристаллов, т.е. зависимость этих свойств от направления, также определяется условиями симметрии. Коротко можно сказать, что кристаллография отражает фундаментальный аспект физики твердого тела.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА;

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

Кристаллическая структура и дифракция. Экспериментальное исследование расположения атомов в кристаллах стало возможно лишь после открытия Рентгеном в 1895 рентгеновского излучения. Чтобы проверить, является ли это излучение действительно одним из видов электромагнитного излучения, Лауэ в 1912 посоветовал Фридриху и Книппингу пропустить рентгеновский пучок через кристалл и посмотреть, возникнет ли дифракционная картина. Опыт дал положительный результат. В основе опыта лежала аналогия с хорошо известным явлением дифракции в обычной оптике. Когда пучок света проходит через ряд малых отверстий, отстоящих друг от друга на расстояния, сравнимые с длиной световой волны, на экране наблюдается интерференционная (или, что в данном случае то же, дифракционная) картина из чередующихся светлых и темных областей. Точно так же, когда рентгеновские лучи, длина волны которых сравнима с расстояниями между атомами кристалла, рассеиваются на этих атомах, на фотопластинке возникает дифракционная картина. Суть явления дифракции поясняется на рис. 6, где изображены плоские волны, падающие на ряд рассеивающих центров. Под действием падающего пучка каждый такой центр испускает сферические волны; эти волны интерферируют друг с другом, что приводит к образованию волновых фронтов, распространяющихся не только в направлении первоначального падающего пучка, но и в некоторых других направлениях. Так называемая картина дифракции Лауэ (лауэграмма), полученная при прохождении пучка рентгеновского излучения сквозь тонкую кристаллическую пластинку минерала берилла, представлена на рис. 7. Картина дифракции ясно показывает наличие вращательной оси симметрии 6-го порядка, что характерно для гексагональной кристаллической структуры. Таким образом, эта картина несет важную информацию о структуре кристалла, на котором происходит дифракция, что и было, в частности, предметом изысканий У.Брэгга и его сына У.Брэгга.

См. также

ОПТИКА;

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ;

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Рис. 6. ВОЛНОВЫЕ ФРОНТЫ различных порядков, которые образуют световые волны, дифрагировавшие на атомах кристалла (показанных жирными точками).

Рис. 7. ДИФРАКЦИОННАЯ КАРТИНА ЛАУЭ, обнаруживающая ось симметрии 6-го порядка (получена пропусканием рентгеновского излучения сквозь тонкий кристалл берилла).

На основе явления дифракции рентгеновского излучения отец и сын Брэгги создали необычайно ценный экспериментальный метод рентгеноструктурного анализа кристаллов. Их работы знаменуют собой начало современной физики твердого тела. Соответствующее весьма сложное автоматизированное оборудование стало теперь обычным в лабораториях по физике твердого тела. Благодаря таким рентгеновским установкам и компьютерам определение расположения атомов даже в сложном кристалле стало почти рутинным делом. В 1914 Лауэ был удостоен за свои достижения Нобелевской премии; отец и сын Брэгги разделили такую же награду годом позднее. Мощь рентгеноструктурного анализа основана на его высокой избирательности. Например, если монохроматический пучок рентгеновского излучения падает в произвольном направлении на монокристалл, можно наблюдать выходящий (но не дифрагированный) пучок в том же направлении. Дифрагированные пучки возникают лишь при нескольких строго определенных (дискретных) углах падения относительно кристаллографических осей. Это условие лежит в основе метода вращения кристалла, в котором допускается вращение монокристалла относительно определенной оси, причем точно определяются те направления, для которых наблюдается дифракция. В других экспериментах могут использоваться порошкообразные кристаллические образцы и монохроматический пучок; - такой метод носит название Дебая - Шеррера. В этом случае имеется непрерывный спектр ориентаций отдельных кристаллитов, но достаточно интенсивные дифрагированные пучки дают лишь кристаллиты с определенной ориентацией. Порошковый метод не требует выращивания крупных монокристаллов, в чем и состоит его преимущество перед методами Лауэ и вращения кристалла. В методе Лауэ используются монокристалл и пучок рентгеновского излучения, обладающий непрерывным спектром, так что кристалл как бы сам выбирает подходящие длины волн для образования дифракционных картин (рис. 7). Какого же рода информацию о структуре кристалла может дать рентгеноструктурный анализ? Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны, электрические поля которых взаимодействуют с заряженными частицами, а именно с электронами и атомами твердого тела. Поскольку масса электронов значительно меньше массы ядра, рентгеновское излучение эффективно рассеивается только электронами. Таким образом, рентгенограмма дает информацию о распределении электронов. Зная направления, в которых дифрагировало излучение, можно определить тип симметрии кристалла или кристаллический класс (кубический, тетрагональный и т.п.), а также длины сторон элементарной ячейки. По относительной интенсивности дифракционных максимумов можно определить положение атомов в элементарной ячейке. По существу дифракционная картина представляет собой математически преобразованную картину распределения электронов в кристалле - ее так называемый фурье-образ. Следовательно, она несет информацию и о структуре химических связей между атомами. Например, по рентгенограмме можно судить, действительно ли поваренная соль (NaCl) составлена из положительных и отрицательных ионов, а также о том, где находятся электроны в таком веществе, как германий. Наконец, распределение интенсивности в одном дифракционном максимуме дает информацию о размере кристаллитов, а также о несовершенствах (дефектах) решетки, механических напряжениях и других особенностях кристаллической структуры.

См. также ХИМИЯ. Хотя рентгеноструктурный анализ является старейшим методом изучения твердых тел на атомном уровне, он продолжает развиваться и совершенствоваться. Одно из таких усовершенствований состоит в применении электронных ускорителей в качестве мощных источников рентгеновского излучения - синхротронного излучения. Синхротрон - это ускоритель, который обычно используется в ядерной физике для разгона электронов до очень высоких энергий

(см. также УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ).

Электроны создают электромагнитное излучение в диапазоне от ультрафиолетового до рентгеновского излучения. В сочетании с недавно разработанными твердотельными детекторами частиц эти новые источники смогут, как ожидается, дать много новой детальной информации о твердых телах.

См. также ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ. В исследованиях в области физики твердого тела используется дифракция не только рентгеновского излучения, но и электронов и нейтронов. Возможность дифракции электронов и нейтронов основана на том, что частица, движущаяся со скоростью v, ведет себя как волна с длиной волны де Бройля l = h/mv, где h - постоянная Планка, m - масса частицы. Поскольку электроны заряжены, они интенсивно взаимодействуют с электронами и ядрами твердого тела. Поэтому, в отличие от рентгеновского излучения, они проникают лишь в тонкий поверхностный слой твердого тела. Но как раз это ограничение делает их весьма подходящими для изучения именно поверхностных свойств твердого тела.

См. также

АТОМ;

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Нейтроны были открыты в 1932. Четыре года спустя их волновая природа была подтверждена дифракционными экспериментами. Использование нейтронов в качестве средства исследования твердых тел стало возможным после создания ядерных реакторов, в которых, начиная примерно с 1950, создавались плотности потока нейтронов порядка 10 12 нейтрон/см2*с. Современные реакторы обеспечивают потоки, в тысячи раз более интенсивные.

См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ. Нейтроны, будучи нейтральными частицами, взаимодействуют только с ядрами твердого тела (по крайней мере, в немагнитных материалах). Это свойство существенно по ряду причин. Поскольку ядра чрезвычайно малы по сравнению с размерами атома, а взаимодействие между ядрами и падающими нейтронами является короткодействующим, нейтронный пучок обладает большой проникающей способностью и может быть использован для исследования кристаллов толщиной до нескольких сантиметров. Кроме того, нейтроны интенсивно рассеиваются ядрами как тяжелых, так и легких элементов. В противоположность этому рентгеновское излучение рассеивается электронами, а потому для него рассеивающая способность атомов увеличивается с возрастанием числа электронов, т.е. атомного номера элемента. Следовательно, положение атомов легких элементов в кристалле можно гораздо точнее определять методом нейтронной, а не рентгеновской дифракции. Это в особенности относится к ядрам атомов водорода, или, что эквивалентно ионам водорода, - протонам. Протоны могут быть обнаружены методом дифракции нейтронов, но не рентгеновского излучения, поскольку они не содержат электронов. Это свойство нейтронов приобретает особое значение при изучении веществ, обладающих водородными связями. Подобные связи возникают не только в неорганических веществах, но и, в частности, в биологических материалах (например, молекулах ДНК).

См. также НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Нейтронные пучки играют важную роль при изучении твердых тел, поскольку нейтроны и ядра атомов имеют сравнимую массу. Поэтому при нейтронной бомбардировке твердого тела нейтроны могут возбуждать (и поглощать) решеточные волны, т.е. упругие волны, распространяющиеся в системе ядер кристалла. (Звуковая волна тоже является решеточной.) В таких неупругих столкновениях нейтрон теряет (или приобретает) энергию и импульс. Изменения этих величин могут быть измерены; они дают много детальной информации о динамических свойствах твердых тел. Таким образом, эксперименты по рассеянию нейтронов очень важны для исследования колебаний атомов в твердых телах. Наконец, дифракция нейтронов играет важную роль в изучении магнитных материалов. Хотя у нейтронов нет электрического заряда, они имеют дипольный магнитный момент, подобный стрелке компаса

(см. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА).

Поэтому нейтрон способен "видеть" магнитный атом в том смысле, что он взаимодействует с суммарным магнитным моментом всех электронов в атоме. Пучок нейтронов, направляемый на магнитный кристалл, рассеивается ядрами, а также "магнитными" электронами. Эти два вида рассеяния дают информацию о кристаллической и магнитной структуре. Подобные эксперименты позволили обнаружить существование в твердых телах магнитно-упорядоченных структур - от обычной параллельной ориентации магнитных моментов в ферромагнетике (например, в железе) до сложных геликоидальных структур в редкоземельных металлах и их соединениях.

См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.

Химические связи и физические свойства. Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него по своим орбитам. В соответствии с законами квантовой механики электроны в атоме распределены по оболочкам, схематически изображенным на рис. 8 для атома натрия. Два ближайших к ядру электрона образуют K-оболочку, следующие восемь электронов - L-оболочку, а единственный внешний электрон - М-оболочку. Электронное облако простирается от ядра на расстояния, измеряемые ангстремами (1 = 10-10 м), оно же определяет эффективный размер атома, который, вообще говоря, не имеет резкой границы. Электроны внутренних оболочек сильно связаны и хорошо локализованы в кулоновском (электрическом) поле ядра. Электроны же внешней оболочки связаны слабее, поскольку действующее на них кулоновское поле ядра частично экранировано (ослаблено) внутренними электронами. Когда свободные атомы сближаются и образуют твердое тело (кристалл), внешние (валентные) электроны оказываются значительно более восприимчивыми к влиянию соседних атомов, чем внутренние (электроны остова). Волновые функции (орбитали) электронов остова в твердом теле почти такие же, как и у свободного атома. Орбитали же валентных электронов атомов твердого тела перестраиваются таким образом, чтобы его полная энергия была меньше суммы энергий отдельных атомов, чем и обеспечивается необходимая энергия связи твердого тела. Таким образом, твердое тело можно рассматривать как состоящее из большого числа жестких ионных остовов (ядер с электронами внутренних оболочек) и единой системы валентных электронов.

Рис. 8. МОДЕЛЬ АТОМА НАТРИЯ: в центре расположено ядро, вокруг него - электроны К-, L- и М-оболочек.

Таким образом, потеря индивидуальности атомами, составляющими твердое тело, сводится лишь к коллективизации валентных электронов. В зависимости от того, как распределены валентные электроны между ионными остовами и в промежутках между ними, различают четыре основных типа химической связи: ван-дер-ваальсова, ионная, металлическая и ковалентная. Характером связи в значительной степени определяются физические свойства твердого тела. Хотя для каждого из описываемых ниже типов связей имеются свои "типичные представители" среди реальных веществ, большинство твердых тел попадает в ту или иную промежуточную категорию.

Ван-дер-ваальсовские кристаллы. Самые простые из известных твердых тел - кристаллы инертных газов неона, аргона, криптона и ксенона

(см. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ).

Электронная структура свободных атомов этих газов имеет конфигурацию так называемых замкнутых оболочек, отличающуюся исключительной устойчивостью. Например, неон имеет заполненную К-оболочку из двух электронов и заполненную L-оболочку из восьми электронов; эта конфигурация соответствует максимальному числу электронов в каждой оболочке, разрешенному правилами квантовой механики. На устойчивость конфигурации электронов в кристаллах инертных газов указывают высокие значения энергии ионизации, необходимой для удаления одного из внешних электронов. Такая устойчивость означает, что у атомов инертных газов нет валентных электронов в обычном смысле этого слова. Действительно, даже внешние электроны могут рассматриваться как электроны остова, сильно связанные с ядром. Поэтому электронная структура атомов в твердом теле остается практически такой же, как и у свободных атомов. Поскольку суммарный электрический заряд атомов равен нулю и все электроны сильно связаны с соответствующими ядрами, возникает вопрос, каким образом эти атомы вообще связываются в твердое тело? Дело в том, что между нейтральными атомами существуют слабые силы притяжения, обусловленные взаимодействием электрических диполей, которые

Составить слова из слова физика твердого тела