Твёрдое тело - это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и объема. По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные .

Кристаллические тела

Кристаллы - это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры.

Точнее, частицы колеблются около определенных положений равновесия. Если их мысленно соединить прямыми линиями, то получается своего рода «скелет» кристалла. Такое изображение кристалла называется кристаллической решеткой .

Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных атомов), которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl– (рис. 1). Такие кристаллы называются ионными .

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. На рис. 2 приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

Монокристаллы и поликристаллы

Если периодически повторяющаяся структура (кристаллическая решетка) распространяется по всему объему тела, то образуется «одиночный кристалл» - монокристалл . Монокристаллы имеют форму правильных симметричных многоугольников. Но они редко достигают размеров в несколько сантиметров. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, исландский шпат (рис. 3), топаз (рис. 4).

В природе чаще встречаются беспорядочно сросшиеся между собой монокристаллы. Такие твердые тела называются поликристаллы . Примерами поликристаллов являются: каменная соль (рис. 5), кварц (рис. 6), сахар, лед, железо, медь.

Анизотропия

Упорядоченность в строении кристалла приводит к анизотропии , т.е. зависимости физических свойств от выбранного направления. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. На рисунке 7 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 многие механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц.

Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны.

Температура плавления

Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления t пл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рис. 8, кривая 1 ).

Зная температуру плавления и температуру тела, всегда можно определить в каком агрегатном состоянии будет находиться кристаллическое тело: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.

Полиморфизм

Практически все вещества в твердом состоянии могут существовать в двух или более кристаллических разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом . Так, у углерода две разновидности - алмаз и графит: графит отличается мягкостью, алмаз тверд, графит - проводник, алмаз - диэлектрик. Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

См. так же

Аморфные тела

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направляемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет. На рисунке 9 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла - аморфного тела (б).

Свойства аморфных тел

Все аморфные тела изотропные , т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть , подобно жидкости. 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.

Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и переходит в жидкость (рис. 8, кривая 2). Вместо температуры плавления приходится говорить о температурном интервале размягчения .

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).

По структуре они представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости (рис. 10).

Жидкие кристаллы - это почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры.

• Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния - мутное (от 145 °С до 179 °С) и прозрачное (выше 179 °С). Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах и телевизорах. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью.

См. так же

Полимеры

По своим необычным свойствам из всей группы твердых тел выделяются полимеры - вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономеров).

• πολύ- и μέρος - от греч. «много» и «часть».

Например, молекула полимеров образуется повторением группы СH 2:

CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 -

Число мономерных единиц в молекуле определяет относительную молекулярную массу полимера, которая, как правило, очень велика - десятки и сотни тысяч атомных единиц массы. Например, полиэтилен имеет относительную массу 35000 а.е.м., каучук - 400000 а.е.м.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путём. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Например, кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок, используемые для изготовления одежды. На основе целлюлозе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы. Освоено производство тканей на основе полиэфирного волокна под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон -синтетические волокна, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности.

Особые механические свойства

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло).

См. так же

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 184-185,186-187.
2. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 265-269.

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.

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.

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 (~ 10 22 ядер и еще больше электронов в 1 см 3) не позволяет дать точное теоретическое описание твердого тела. 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.

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.

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.

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.

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.

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 мм 2 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. 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.

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 = n 1 a + n 2 b + n 3 c , где n 1 , n 2 и n 3 – 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) P 1 , а затем найти все остальные точки P 2 , P 3 ,..., обладающие тем свойством, что окружение этих точек выглядит во всех отношениях в точности так же, как оно выглядит из точки P 1 . Множество точек P 1 , P 2 , P 3 ,... 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 = n 1 a + n 2 b = n 3 c , где n 1 , n 2 , n 3 – целые числа. Совокупность всех таких операций называется трансляционной группой данной решетки.

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.

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.

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.)

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.

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.

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.

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 . 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.

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/см 2 Ч с. Современные реакторы обеспечивают потоки, в тысячи раз более интенсивные.

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).

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 . 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.

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 Å = 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.

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 . 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 индуцируются соседними атомами благодаря синхронизации движения своих электронов. Эти слабые и весьма чувствительные к различным факторам силы называются силами Ван-дер-Ваальса; ими и обусловлена связь между атомами и молекулами в большинстве органических кристаллов. Поскольку притяжение между атомами слабое, кристаллы инертных газов характеризуются малой энергией связи (т.е. энергией, необходимой для удаления атома из твердого тела), а также низкой температурой плавления. Ниже приведены численные значения этих величин для инертных газов в твердом состоянии.

Ограниченный интервал температур, в котором существуют эти твердые тела, лишает их практического интереса. Однако они играют важную роль в фундаментальных исследованиях по теории образования кристаллов, динамике атомов в твердом теле, подвижности электронов, инжектированных в диэлектрики, и т.п. Поскольку атомы инертных газов имеют форму, близкую к сферической, силы Ван-дер-Ваальса между ними изотропны (т.е. одинаковы во всех направлениях). Поэтому неудивительно, что атомы инертных газов кристаллизуются в структуру, соответствующую самой плотной упаковке сфер, а именно в гранецентрированную кубическую структуру. Расстояние между соседними атомами возрастает с увеличением атомов, т.е. с увеличением числа электронов в них; для представленных выше элементов оно составляет 3,13, 3,76, 4,01 и 4,35Å.

Кристаллы инертных газов оказываются хорошими диэлектриками. Это можно объяснить тем, что все электроны в атомах сильно связаны со своими ядрами. Физические свойства таких твердых тел во многом определяются свойствами и электронной структурой атомов, из которых они построены.

Ионные кристаллы.

Идеальный ионный кристалл состоит из положительно и отрицательно заряженных сферических ионов. Этому представлению более всего соответствуют если не все, то по крайней мере некоторые щелочно-галоидные соединения, т.е. соли, образуемые одним из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и одним из галогенов (фтор, хлор, бром, иод). Имеются доказательства того, что кристаллы этих солей действительно образованы положительными ионами металлов и отрицательно заряженными ионами галогенов. Самое прямое из них – данные рентгеноструктурного анализа, на основе которых рассчитывается распределение электронного заряда (см. рис. 9 для случая NaCl).

То, что подобные твердые тела состоят из ионов, а не атомов, можно объяснить следующим образом. Прежде всего все атомы щелочных металлов имеют один внешний валентный электрон, тогда как внешняя оболочка атомов галогенов содержит семь валентных электронов. При переходе валентного электрона от атома щелочного металла к атому галогена образуются два иона, каждый из которых обладает устойчивой электронной конфигурацией, характерной для атомов инертных газов. Еще более важен выигрыш в энергии, обусловленный кулоновским притяжением между положительными и отрицательными ионами. Рассмотрим в качестве примера хлорид натрия (NaCl). Чтобы оторвать внешний (валентный) электрон от атома Na, нужно затратить 5,14 эВ (энергию ионизации). Когда этот электрон присоединяется к атому Cl, получается выигрыш в энергии, равный 3,61 эВ (энергия сродства к электрону). Таким образом, энергия, необходимая для перехода валентного электрона от Na к Cl, равна (5,14 - 3,61) эВ = 1,53 эВ. Кулоновская же энергия притяжения между двумя возникшими ионами Na + и Cl - при расстоянии между ними (в кристалле), равном 2,18 Å, составляет 5,1 эВ. Эта величина с избытком компенсирует полную энергию перехода электрона и приводит к понижению полной энергии системы ионов по сравнению с аналогичной системой свободных атомов. В этом основная причина того, что щелочно-галоидные соединения состоят именно из ионов, а не атомов.

Вычисления энергии ионных кристаллов на самом деле сложнее, чем это может показаться из проведенных выше рассуждений. Но по крайней мере для щелочно-галоидных кристаллов наблюдается хорошее согласие между теоретическим и экспериментальным значениями энергии связи. Ионные связи достаточно сильны, на что указывает, например, высокая температура плавления, равная 1074 K для NaCl.

Благодаря высокой степени устойчивости электронной структуры ионные кристаллы попадают в разряд диэлектриков. Поскольку положительные и отрицательные ионы взаимодействуют с электромагнитными волнами, ионные кристаллы обнаруживают сильное оптическое поглощение в инфракрасной области спектра. (Частота осциллирующего внешнего электрического поля в этой области спектра близка к собственной частоте поперечных решеточных волн, в которых положительные и отрицательные ионы кристалла движутся во встречных направлениях.) В видимой области спектра частоты колебаний слишком велики, для того чтобы массивные ионы успевали реагировать на воздействие таких волн. Поэтому световые волны проходят через кристалл без взаимодействия, т.е. такие кристаллы прозрачны. При еще более высоких частотах – в ультрафиолетовой области спектра – кванты поля могут иметь достаточную энергию для возбуждения валентных электронов, обеспечивающего переход валентных электронов отрицательных ионов в незанятые состояния положительных ионов. Это приводит к сильному оптическому поглощению.

Ковалентные кристаллы.

Наиболее известные ковалентные кристаллы – это алмаз, кремний и германий. Каждый атом в таких кристаллах окружен четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Свободные атомы каждого из указанных элементов имеют по четыре валентных электрона, а этого достаточно для образования четырех парных электронных связей (между данным атомом и четырьмя его ближайшими соседями). Таким образом, два электрона коллективизируются двумя атомами, образующими связь, и располагаются в пространстве вдоль линии, соединяющей атомы. Это почти такая же связь, как и между двумя атомами водорода в молекуле водорода H 2 . В алмазе эти связи очень сильны, и, поскольку они имеют строго определенное направление относительно друг друга, алмаз является чрезвычайно твердым материалом. Силу ковалентной связи электрона с кристаллом характеризует так называемая энергетическая щель – минимальная энергия, которую необходимо передать электрону, чтобы он мог свободно двигаться в кристалле и создавать электрический ток. Для алмаза, кремния и германия ширина этой щели составляет 5,4, 1,17 и 0,744 эВ соответственно. Поэтому алмаз является хорошим диэлектриком; энергия тепловых колебаний в нем при комнатной температуре слишком мала, чтобы освободить валентные электроны. В кремнии же и особенно в германии благодаря сравнительно малой ширине энергетической щели возможно тепловое возбуждение некоторого числа валентных электронов при комнатной температуре. Таким образом, они проводят ток, но поскольку их проводимость значительно меньше, чем у металлов, кремний и германий относятся к полупроводникам.

Металлы.

Как упоминалось выше, валентные электроны в ковалентных твердых телах коллективизированы соседними атомами и локализованы вдоль линий, соединяющих эти атомы. В металлах коллективизация электронов достигает максимума – все валентные электроны коллективизируются всеми ионными остовами. Идеальный металл можно рассматривать как состоящий из периодически расположенных ионных остовов, которые погружены в газ электронов проводимости, свободно движущихся между ионными остовами. Стабильность металла и величина его энергии связи определяются кулоновскими силами притяжения между положительными ионными остовами и отрицательно заряженным электронным газом. Подвижные электроны проводимости ответственны за высокую электро- и теплопроводность металлов.

Такая модель металла со свободными электронами лучше всего подходит для щелочных металлов и менее пригодна для благородных металлов – меди, серебра и золота. В щелочных металлах ионные остовы занимают лишь малую долю полного объема (около 15%), тогда как в серебре и золоте соседние ионные остовы чуть ли не соприкасаются друг с другом.

Различие между четырьмя типами твердых тел поясняется схемами, представленными на рис. 10. Атомы и ионные остовы с сильно связанными электронами в конфигурациях с замкнутыми оболочками показаны светлыми кружками. Пространственное распределение валентных электронов показано только для ковалентных кристаллов и металлов.

Большинство твердых веществ занимает промежуточное положение между четырьмя «чистыми» типами связи. Например, существует непрерывный ряд твердых тел между чисто ионными и чисто ковалентными кристаллами. Поэтому в применении к таким непроводящим электрический ток материалам говорят о частично ионном или частично ковалентном характере связей. Дж. Филлипс предложил особенно успешный полуэмпирический подход к описанию существующих закономерностей в различных группах соединений на основе их диэлектрических свойств и ширины энергетических щелей.

Интересно сравнить степени ионности связи в схеме Филлипса для соединений, составленных из элементов разных (или одной и той же) групп периодической системы: I и VII, II и VI, III и V, IV-IV, а также для элементов IV группы . Для некоторых соединений эта характеристика имеет следующие значения:

NaCl	MgS	GaAs	SiC	Si
0,94	0,79	0,31	0,18	0

Здесь виден постепенный переход от почти полностью ионного соединения NaCl к чисто ковалентному кристаллу кремния.

Кристаллы с водородными связями.

Рассмотренная выше классификация кристаллов основана на связях, создаваемых электронами. Другой тип химической связи возникает благодаря ионам водорода (протонам). Протон – это особый вид иона: у него вообще отсутствуют электроны, а потому он имеет чрезвычайно малые размеры. «Голый» протон способен связывать друг с другом два отрицательных иона, в частности отрицательные ионы фтора, кислорода и азота. Например, ион дифторида водорода HF 2 - , обладающий линейной структурой F - H + F - , обязан своей устойчивостью наличию протона, связывающего два отрицательных иона фтора. Водородные связи играют важную роль в молекулярной биологии (прежде всего в генетике), поскольку они участвуют в удержании двух цепей двойной спиральной структуры молекул ДНК. Эти связи существенны также в физике сегнетоэлектриков (например, дигидрофосфата калия KH 2 PO 4) и в значительной мере ответственны за удивительные физические свойства воды и льда.

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Для изучения свойств тех или иных кристаллов необходимо приготавливать (выращивать) хорошие образцы – часто в форме монокристаллов самой высокой, насколько возможно, степени совершенства и химической чистоты. Для изучения же влияния различных физических или химических несовершенств на свойства твердых тел такие несовершенства (дефекты) требуется тем или иным способом контролируемо вводить в твердое тело. При этом в качестве исходных необходимо использовать материалы высокой химической чистоты. Помимо обычных химических методов очищения, многие металлы и полупроводники могут быть очищены методом зонной плавки.

Кристаллы можно выращивать, медленно выпаривая растворитель из раствора, охлаждая расплав или конденсируя пары. Кристаллы выращиваются из расплава по методу Бриджмена или Чохральского. При использовании метода Чохральского небольшой кристалл-затравка, укрепленный на вертикальной проволоке или стержне, погружается в расплав и затем медленно выводится из него. При соответствующем контроле за температурой и скоростью вытягивания из затравочного кристалла может вырасти крупный монокристалл. По методу Бриджмена расплав находится в вертикально закрепленном тигле с остроконечным дном. При медленном опускании тигля из горячей зоны печи в более холодную на его остром дне образуется кристалл-зародыш, который в ходе дальнейшего опускания тигля может вырасти в крупный монокристалл.

Метод молекулярной эпитаксии (ММЭ) позволяет последовательно слой за слоем наращивать полупроводниковые чипы на подходящей кристаллической подложке. В каждом слое (толщина которого может не превышать диаметра одного атома) точно повторяется кристаллическая структура подложки.

Нагревая ионный кристалл в парах его металлического компонента или какого-либо другого металла, в него можно ввести избыток этого металла. Во многих случаях такие легированные кристаллы обнаруживают новые интересные свойства, обусловленные именно этими внедренными на атомном уровне металлическими компонентами. Например, при нагревании хлорида натрия в парах натрия кристалл из прозрачного становится желто-коричневым; в этом случае говорят, что в кристалле появились центры окраски. В ряде случаев атомы металла, введенные в кристалл при его нагревании в металлических парах, могут коагулировать в небольшие металлические кристаллы, внедренные в исходный ионный кристалл.

Электронная микроскопия высокого разрешения.

В обычном оптическом или световом микроскопе предел разрешения определяется относительно большим значением длины волны видимого света. Это означает, что не могут наблюдаться детали протяженностью менее примерно 5000 Å. В электронном микроскопе вместо света используется пучок электронов с длиной волны около 0,04 Å, что значительно меньше даже диаметра атома. Первый практически применимый электронный микроскоп был создан Э.Руской (Берлин, 1933). С тех пор ученые стремились получить изображение отдельного атома, и в конечном итоге электронная микроскопия стала надежным, хорошо апробированным методом исследования. С ее помощью удалось получить многие сведения из области биологии (строение бактерий, вирусов), а также данные о структуре кристаллов. Техническое усовершенствование электронной микроскопии позволило достичь разрешения порядка нескольких ангстрем. Это дает возможность получать непосредственно интерпретируемые изображения распределения атомов металла внутри элементарной ячейки твердого тела. Некоторые интересные исследования проводились, например, в университете шт. Аризона. Когда один из оксидов ниобия (химическая формула Nb 22 O 54) нагревается в атмосфере газообразного водорода, образуется вещество с химическим составом Nb 12 O 29 , которое встраивается в исходный материал. Это можно увидеть в электронном микроскопе высокого разрешения. Исходный оксид Nb 22 O 54 характеризуется правильным чередованием рядов из блоков 3ґ 3 и 3ґ 4, состоящих из октаэдров, в центре которых расположен атом ниобия, а в вершинах – шесть атомов кислорода. На рис. 11 показано, каким образом нарушается исходный порядок чередования в местах, отмеченных на рисунке стрелками, где один за другим идут два одинаковых ряда (из блоков 3ґ 4). Такие двумерные дефектные слои (называемые дефектами Уодсли) проходят по всему кристаллу перпендикулярно плоскости рисунка. Данный пример показывает, что электронная микроскопия – мощный метод исследования в физике твердого тела.

Прямое изображение поверхностных атомов.

Для исследователей, интересующихся объемными свойствами твердых тел, поверхность образца представляет собой главным образом помеху. Однако поверхность кристалла играет важную роль во многих физических и химических явлениях, существенных, например для работы различных полупроводниковых и микроэлектронных устройств, а также в химической коррозии и гетерогенном катализе.

При исследовании свойств поверхности твердого тела первостепенное значение имеет надежная информация о расположении атомов в наружном атомном слое кристалла. Существенный прогресс в этой области был достигнут благодаря применению техники сверхвысокого вакуума, дифракции электронов низких энергий и экспериментов по рассеянию атомов или ионов. В исследованиях поверхности твердого тела успешно применяется автоионный проектор, созданный в 1955 Э.Мюллером в университете шт. Пенсильвания. Этот прибор позволил, например, получить прямое изображение отдельных атомных позиций.

Металлические стекла.

Интересным развитием физики твердого тела явилось открытие нового типа материалов, названных металлическими стеклами. В расположении атомов стеклообразных веществ обнаруживается (как и в жидкостях) некоторый ближний порядок, но характерный для кристалла дальний порядок в нем отсутствует. Металлы обычно быстро кристаллизуются при охлаждении из жидкого состояния. В настоящее время можно проводить очень быстрое охлаждение (со скоростью до 10 5 - 10 6 кельвинов в 1 с), которое дает стеклообразный металл с беспорядочным расположением атомов. Такие металлические стекла интересны своими необычными, а иногда и уникальными физическими свойствами. В частности, они очень тверды, прочны и пластичны, т.е. в отличие от силикатных стекол не хрупки. Они хорошо проводят электричество; их проводимость сравнима с проводимостью обычно используемых в электротехнике сплавов; поэтому металлические стекла – хороший материал для резисторов, термометров сопротивления, низкотемпературных нагревательных элементов и т.п. Много внимания уделялось магнитным свойствам металлических стекол. Оказалось, что ферромагнитные стекла могут намагничиваться и размагничиваться очень слабыми внешними магнитными полями. Благодаря этому и механической прочности магнитные стекла пригодны для использования в трансформаторах, магнитных усилителях, а также звукозаписывающих головках.

Этот метод исследования основан на фотоэлектрическом эффекте – вещество поглощает рентгеновское излучение и испускает электроны . Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны высокой частоты. Согласно квантовой теории, они могут поглощаться в веществе только строго определенными порциями – так называемыми квантами, или фотонами. В фотоэлектрическом процессе энергия фотона полностью передается электрону. Часть этой энергии (так называемая работа выхода) затрачивается на вырывание электрона из твердого тела, а остальная часть переходит в кинетическую энергию испущенного электрона. При методе РФЭС регистрируется распределение кинетической энергии испускаемых электронов. По нему рассчитывается спектр энергий связи электронов в твердом теле – одна из важных характеристик материала.

Литература:

Холден А. Что такое ФТТ. Основы современной физики твердого тела . М., 1971
Шаскольская М.П. Кристаллы . М., 1978
Гегузин Я.Е. Живой кристалл . М., 1981
Чернов А.А. Физика кристаллизации . М., 1983
Каганов М.И., Лифшиц Е.М. Квазичастицы. Идеи и принципы квантовой физики твердого тела . М., 1989



Цели урока:

1. Обобщить и систематизировать знания о телах природы и сформировать знания учащихся о свойствах тел.
2. Развивать память, мышление.

Задачи:

1. Научить различать естественные и искусственные тела, разнообразные формы тел.
2. Научить измерять массу тел при помощи электронных весов.

Оборудование: мяч, кубик-Рубика, коробка, цветок, кубик из пенопласта, колба, электронные весы, алюминиевые пластинки, геометрические фигуры, магниты.

Ход урока

I. Организационный момент:

а) взаимное приветствие;

б) отметка отсутствующих;

Вступительное слово.

Здравствуйте, ребята. На предыдущих уроках мы говорили с вами о природе и сегодня продолжим разговор о ней.

Вопрос: Вспомните, что такое природа?

Ответ: Природа – это всё многообразие окружающего нас мира, всё, что возникло естественным путём.

Человеку всегда было присуще замечательное свойство – любознательность, непреодолимая тяга познавать окружающий мир, исследовать его, постигать суть явлений, в нём происходящих. И это ему удавалось и удаётся при помощи различных научных методов.

Вопрос: Какие методы изучения природы вам известны?

Ответ: Наблюдение и эксперимент.

Вы знаете, что наблюдение и эксперимент взаимосвязаны. В ходе наблюдения за каким-либо явлением или событием, человек тщательно записывает все изменения, происходящие с телами, затем высказывает гипотезу о том, как происходит явление, о причинах, его вызывающих. Правильность гипотезы проверяет экспериментально. Потом делает выводы. При этом использует специальные слова – термины. Что же такое «термин»?

Термин – это слово или сочетание слов, точно обозначающее определённое понятие. (В листочках записывают определение термина). (Приложение 1, слайд № 2).

Вопрос: Посмотрите вокруг и скажите, что вас окружает?

Ответ: Вокруг нас расположены парты, стулья, книги, ребята и т. д.

Вопрос: Правильно, нас окружают различные предметы. Каким термином учёные называют все предметы?

Ответ: Телами.

Вопрос: Когда вы читаете или слышите слово «тело», что вы представляете?

Ответ: Тело человека, животного.

В словаре Ожегова есть такое значение: «Тело - организм человека или животного в его внешних и физических формах». Но у этого слова есть и другое значение.

Телами называют все предметы, окружающие нас.

II. Изучение нового материала.

Природа состоит из огромного количества разнообразных тел. Сегодня на уроке мы продолжим изучать тела.

Цель нашего урока – выяснить, какими свойствами обладают тела? Что такое свойства тел?

Ответ: Свойства тела – это признаки, по которым тела отличают друг от друга.

Вы знаете, что среди бесчисленных и разнообразных тел природы есть тела естественные , которые созданы природой, и ещё есть тела, сделанные человеком. Их называют искусственными .

Вопрос: Посмотрите на картинки и назовите тела, которые относятся к первой группе.

Ответ: Дерево, трава, камень, Солнце, бабочка и другие.

Вопрос: Назовите тела, которые относятся ко второй группе.

Ответ: Карандаш, книга, ручка, стол, сумка и другие.

Вопрос: Посмотрите на картинкии скажите, на какие ещё две группы делятся тела?

Ответ: Тела делятся на живые и неживые.

Вопрос: Приведите примеры живых и неживых тел природы.

Ответ: Живые: растения, животные. Неживые: камень, Луна.

Первое свойство тел – это деление на живые – неживые.

На доске записана тема урока, затем при помощи магнита прикрепляем листочки со свойствами тел (слайд № 3).

На доске:

Другие свойства тел попробуем узнать, отгадав загадки (слайд № 4).

Загадки.

1. Чудо-юдо – великан
   На спине везёт фонтан.
   (кит )
2. Чернокожий карапуз
   Не по росту тянет груз.
   (муравей )

Вопрос: Как вы думаете, о каком свойстве тела говорится в этих загадках?

Ответ: О размере, длине тела? Что же такое размер тела?

Размер – величина предмета, масштаб какого-нибудь явления (слайд № 5).

Размер тела находят при помощи линейки, сантиметровой ленты. Итак, второе свойство тела – это размер.

На доске:

А теперь послушайте другие загадки (слайд № 6).

1. Блинчик плавает живой –
   Он с хвостом и с головой.
   (камбала )
2. Шар воздушный, золотой
   Над рекой остановился,
   Покачался над водой,
   А потом … за лесом скрылся!
   (солнце)

Вопрос: О каком ещё свойстве тела говорится в загадках?

Ответ: О форме тела (слайд № 7).

Форма (лат. forma) – внешнее очертание, наружный вид, контуры предмета.

Посмотрите на предметы, находящиеся на столе. С одной стороны расположены геометрические фигуры, с другой – тела. Какой они формы? (На столе находятся футбольный мяч (шар), гранит (без формы), карандаш (цилиндр), коробка от мела (прямоугольный параллелепипед), книга (прямоугольный параллелепипед), кубик-Рубика (куб), треугольная пирамидка-Рубика (тетраэдр), колба (конус), гайка (шестиугольная призма), цветок (без формы)).

Обратите внимание на то, что одни тела имеют правильную геометрическую форму, другие неправильной формы.

Ребята, вспомните, какие тела правильной геометрической формы вы уже видели?

(На слайде № 7 фотографии или рисунки предметов с разнообразными формами).

(В листочках записывают примеры тел с правильной геометрической формой и неправильной).

На доске:

А теперь посмотрите ещё раз на предметы, лежащие на столе и скажите, какое ещё свойство тела мы с вами не назвали? Опишите мяч. Какой он?

Ответ: Круглый, синий или голубой (или другого цвета).

Четвёртое свойство тел – это цвет.

На доске:

Кроме размера, формы, цвета тела обладают и другими характеристиками. Поговорим об одной из них. Посмотрите внимательно на стол. На столе лежат два кубика. Один из пенопласта, а другой сделан из пластмассы. Они одинаковые по размеру и форме, но между ними есть отличие.

Вопрос: Как вы думаете, чем друг от друга отличаются данные кубики?

Ответ: Они отличаются массой.

Правильно, каждое тело обладает массой. А знаете ли вы, в каких единицах измеряется масса? За единицу массы принят килограмм. Международный образец (эталон) килограмма хранится во Франции в городе Севре. С этого образца с большой точностью изготовлены копии для других стран. За единицу массы (килограмм) была принята платиноиридиевая гиря в форме цилиндра диаметром и высотой 39 мм. Она храниться под двумя стеклянными куполами, из которых выкачан воздух. Это делается для того, чтобы сплав не соединился с воздухом. В противном случае масса гири может значительно увеличиться.

Для измерения массы любого тела используют весы (слайд № 8).

Вопрос: Какие весы вам известны?

Ответ: Механические, электронные.

Посмотрите на экран (фотографии различных весов).

У нас тоже есть весы. Одни электронные, другие рычажные. На столе у вас лежат электронные весы. Они могут измерить только массу тел до 200 грамм. В синих штативах (коробочках) находятся пластинки из пенопласта и алюминия. Вам нужно будет измерить массу этих пластинок. Для этого необходимо достать весы из коробочки, поставить на стол, затем нажать на красную кнопку и подождать, пока не появиться два нуля. Потом взять поочерёдно пластинки и измерить их массу, результаты занести в листочек. Сформулируем цель лабораторной работы: определить массу пенопластовой и алюминиевой пластинок и сделать вывод о том, какое тел больше весит. Выполняйте работу, а затем полученные данные впишите в таблицу, сделайте вывод.

На следующем уроке мы с вами будем учиться измерять массу тел при помощи рычажных весов.

Итак, подведём итог. О каких свойствах тел вы узнали на этом уроке?

Ответ: Мы узнали, что тела бывают живыми и неживыми, естественными и искусственными, обладают разной формой, цветом, размером и массой.

На доске:

Вопрос: Ребята, как вы думаете, мы изучили все свойства тел?

Мы с вами сегодня не вспомнили ещё об одном свойстве. Как вы думаете, о каком свойстве мы не сказали? Это свойство тела всегда очень интересует врача. Когда мы заболевшие приходим на приём к врачу, то он всегда интересуется температурой тела заболевшего. Вы знаете, какая температура тела человека считается нормальной? (36,6 ºC) Температура измеряется в градусах по Цельсию (по фамилии шведского астронома и физика Андерса Цельсия).

Шкала Цельсия, температурная шкала, в которой 1 градус (1 °С) равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 °С, кипения воды - за 100 °С. Предложена в 1742 году А. Цельсием.

Как человеческое тело и другие тела обладают температурой. Например, какая может быть температура у кусочка льда? Нуль градусов или меньше. Для измерения температуры тела человека используют ртутный или электронный термометр (слайд № 9).

На доске:

Все написанные на доске свойства являются неотъемлемыми признаками тела как научного понятия. Теперь с вами мы можем дать полное определение тела (слайд № 10).

Тело - объект природы или рукотворного мира, обладающий определенной формой, цветом, массой, размером, температурой.

В науке чаще используется понятие «физическое тело».

III. Закрепление материала

1. Дидактическая игра «Внимание - физическое тело!».

Учитель произносит различные слова, обозначающие тела и явления. Ребятам нужно хлопать, услышав название тела.

Слова: закат, радуга, дождь, дерево, извержение вулкана, книга, медведь, линейка, восход солнца, часы, шкаф, гром, мяч, молния, Солнце, землетрясение, лягушка.

2. Работа с художественным текстом «Василий Прекрасный» .

Задача детей - выделить признаки кота Василия как физического тела (написана текст на листочках).

Кот Василий (для близких и родных просто Васяня) был очень упитанным и по форме напоминал пирамиду Хеопса , если сидел, и бочонок для меда, если стоял. От кончика носа до кончика хвоста в нем было 92 см . Его полосатая спина плавно переходила в оранжево-жёлтый живот.

Василий был ласковым, терпеливым, любвеобильным, чистоплотным, умел поднимать настроение и улучшать самочувствие хозяина. Славился он и тем, что только однажды поймал мышь. Но когда вес его перевалил за 7 кг, охотничьи инстинкты в нем уснули навсегда, и не стало для него занятия лучше, чем вздремнуть на руках хозяина. От спящего на руках кота исходит такое тепло и рождается такое умиление. Это потому, что нормальная кошачья температура +38-39,5 °С .

IV. Выставление оценок за урок.

V. Задание на дом. § 11 (нарисовать на альбомных листах разные по форме и размерам тела или придумать ребусы о телах, заполнить рабочую тетрадь при помощи листочков.)

Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.

Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней "упаковке" частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.

В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность - главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.

Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.

Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, "сросшихся" между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.

Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.

Аморфные - не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, К созданию искусственных аморфных тел причастен человек - стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. не имеют вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому для какого-либо аморфного тела изотропны - одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.

Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!

Природные и рукотворные тела. Вы уже зна-ете, что различают природу живую и неживую. Используя рис. 9, назовите тела живой и неживой природы.

Кроме природных тел, существуют также руко-творные тела, созданные человеком. Например, днём комнату освещает природное тело Солнце, а ве-чером мы пользуемся рукотворными телами — на-стольной лампой либо люстрой. Моря и реки — при-родные тела, а бассейн и пруд — рукотворные. Они отличаются по форме, размерам, массе, объёму.

Рис. 9. Живая и неживая природа

Характеристики тел. Указанные характеристи-ки дают возможность различать тела. Согласитесь, сложно перепутать школьный учебник и куриное яйцо, поскольку они имеют разную форму. Учеб-ник — тело правильной формы. Можно измерить его длину, ширину и высоту. Измерить размеры куриного яйца невозможно, поскольку это тело не-правильной формы.

Описывая горы, мы говорим, что эти тела нежи-вой природы имеют крупные размеры, чего не ска-жешь о колоске пшеницы.

Вода в твёрдом, жидком и газообразном состояниях

Нет необходимости взвешивать арбуз и вишню, чтобы безошибочно определить, что арбуз гораздо тяжелее. Масса — это ещё одна характеристика тел.

Охарактеризовать тела можно и по объёму. Вед-ро имеет значительно больший объём, чем чашка. Объём тела прямоугольной формы определяют, умножив значение его длины, ширины и высоты. Чтобы измерить объём тела неправильной формы, надо погрузить его в воду. Объём тела равен объё-му вытесненной телом воды.

Характеристики тел — это признаки, по которым они различаются. К характеристикам тел относят-ся форма, размеры, масса, объём. Линейные раз-меры, массу и объём тел измеряют с помощью приборов.

Характеризуя тела, обращают внимание на их агрегатное состояние. Различают твёрдое тело , жидкость, газ. Копейка — это твёрдое тело, роса — жидкое, а воздух — газообразное. Тела природы преимущественно твёрдые.

Форма тел воспринимается визуально, то есть посредством зрения. Используя рис. 10, по-пытайтесь сравнить тела по форме и размерам. Материал с сайта

Описание тела по плану. Используя характеристики, тела можно описывать по пла-ну: 1) форма; 2) размеры; 3) масса; 4) объём. Опишем по этому плану морковь, предваритель-но измерив её длину (12 см) и массу (100 г). Что-бы определить объём, необходимо погрузить морковь в мерный цилиндр с водой (рис. 11). Предварительно запомним показатели объёма воды на шкале цилиндра до погружения моркови, а затем — после погружения. Разни-ца объёмов и будет объёмом моркови. В указанном примере она составляет приблизительно 30 мл.

Данные измерения дают возможность охаракте-ризовать морковь следующим образом: тело непра-вильной формы длиной 12 см, массой 100 г и объ-ёмом 30 мл.

По этим же признакам вы можете самостоятельно сравнивать разные природные и рукотворные тела.

С помощью размеров, массы, формы и объёма тел можно не только описать тело, но и сравнить его с другими.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском