Тверде тіло 1

Довгий час здавалося, що найцікавіше у фізиці - це дослідження мікросвіту і макрокосмосу. Саме там намагалися знайти відповіді на найбільш важливі, фундаментальні питання, що пояснюють устрій навколишнього світу. І ось зараз утворився третій фронт досліджень - вивчення твердих тіл.

Чому ж так важливо досліджувати тверді тіла?

Величезну роль, звичайно, грає тут практична діяльність людини. Тверді тіла - це метали і діелектрики, без яких немислима електротехніка, це - напівпровідники, що лежать в основі сучасної електроніки, магніти, провідники, конструкційні матеріали. Словом, можна стверджувати, що науково-технічний прогрес значною мірою заснований на використанні твердих тіл.

Але не тільки практична сторона справи важлива при їх вивченні. Сама внутрішня логіка розвитку науки - фізики твердого тіла - привела до розуміння важливого значення колективних властивостей великих систем.

Тверде тіло складається з міріад частинок, які взаємодіють між собою. Це зумовлює появу певного порядку в системі (рис. 1) і особливих властивостей всього колективу мікрочастинок. Так, колективні властивості електронів визначають електропровідність твердих тіл, а здатність тіла поглинати тепло - теплоємність - залежить від характеру колективних коливань атомів при тепловому русі. Колективні властивості пояснюють всі основні закономірності поведінки твердих тіл.

Структура твердих тіл різноманітна. Проте їх можна розділити на два великі класи: кристали і аморфні ті-л а.

Строго кажучи, аморфний стан не є рівноважним і з плином часу аморфне тіло повинно закристалізуватися. Однак у звичайних умовах цей час може бути настільки велика, що неравновесность не проявляється і аморфне тіло практично стійко.

У кристалах атоми (або іони) розташовані в просторі в вузлах кристалічної решітки (див. Кристалофізика). Сувора періодичність в розташуванні атомів приводить до збереження порядку на великих відстанях (в такому випадку говорять, що є дальній порядок).

На рис. 2 приведена фотографія кристалічної плівки золота, отримана за допомогою електронного мікроскопа. Плівка складається з областей з різними орієнтаціями кристалічної решітки. У кожній області ясно видно сувора періодична структура з характерним відстанню між атомами. Ви як би дивіться на одну і ту ж кристалічну решітку під різними кутами. Період цієї решітки становить всього Ангстрема. Але відомі речовини, в яких період далекого порядку дуже великий. У іклах мамонта і голках дикобраза знайдені білкові структури, що повторюються через 0,1 мкм. Це дуже велика величина для атомного світу.

Всі реальні кристали мають недосконалі структури. В якомусь місці решітки може утворитися порожній простір (вакансія) або потрапити чужорідний атом (домішка), або дислокації порушать порядок в кристалі. Такі дефекти можна зробити видимими, якщо обробити поверхню спеціальним травяно складом. У місцях виходу дислокацій на поверхню кристал розчиняється сильніше, і утворюються так звані ямки травлення.

В аморфних речовинах порядок порушені не локально, а цілком (civr. Аморфний стан). У них немає дальнього порядку. У той же час якась подоба порядку в аморфних речовинах зберігається. На рис. 3 показано відмінність між кристалом кварцу (чорні точки - атоми кремнію, червоні - кисню) і склом. Як видно, поблизу кожного атома і в склі все ж є певна структура. Тому кажуть, що в аморфних речовинах є ближній порядок.

Цікаві досліди провів в 1959 р англійський фізик Д. Бернал, вивчаючи геометричну структуру рідин і аморфних тіл. Він взяв багато маленьких пластилінових кульок однакового розміру, обваляв їх в крейдяний пудрі і спресував в велику грудку. В результаті кульки деформувалися в многогранники. Виявилося, що при цьому переважно утворювалися п'ятикутні грані, а многогранники в середньому мали 13,3 граней. Так що якийсь порядок в аморфних речовинах безумовно є.

Тепловий рух викликає коливання атомів (або іонів), з яких складається тверде тіло. Амплітуда коливань зазвичай мала в порівнянні з міжатомними відстанями, і атоми не покидають своїх місць. Оскільки атоми в твердому тілі зв'язані між собою, їх коливання відбуваються узгоджено, так що по тілу з певною швидкістю поширюється хвиля. Для опису колеба: ний в твердих тілах при низьких температурах часто використовують уявлення про квазічастинки - фонони.

За своїх електронних властивостях тверді тіла розділяються на метали, діелектрики та напівпровідники. Крім того, при низьких температурах можливо особливе надпровідний стан, в якому опір електричному струму рівний нулю (див. Надпровідність).

Рух мікрочасток підкоряється законам квантової механіки. У зв'язаних електронів, наприклад в атомі, енергія може приймати тільки певні, квантовані значення. У твердому тілі ці рівні енергії об'єднуються в зони, розділені забороненими областями енергії (див. Рис. 4). В силу принципу Паулі електрони не скупчуються на нижньому рівні, а займають рівні з різними енергіями. При цьому може виявитися, що в результаті всі рівні енергії в зоні будуть заповнені. Таке тверде тіло є діелектриком. Змінити енергію елек трона в цьому випадку можна тільки відразу на велику кінцеву величину (ширину забороненої області, або, як кажуть, енергетичної щілини). Тому електрони в діелектрику не можуть прискорюватися в електричному полі, і провідність при нульовій температурі (коли немає теплових збуджень) рівна нулю (опір нескінченно).

У металі, навпаки, верхній заповнений рівень енергії лежить усередині зони, енергія електронів може мінятися майже безперервно, і електричне поле створює струм. Впорядкований рух електронів уздовж поля накладається на інтенсивний хаотичний рух. Максимальна енергія електронів визначається їх концентрацією. У типових металах ця величина порядку елект-ронвольт. Відповідна такої енергії температура

104 К! Так що навіть при абсолютному нулі частина електронів в металі енергійно рухається і має величезну ефективну температуру.

Напівпровідник - це той же діелектрик, але з малою величиною енергетичної щілини. Тепловий рух може «закидати» електрони у вільну зону (вона називається з про-ний провідності на відміну від заповненої валентної зони), де вони вже прискорюються електричним полем (рис. 5). Тому напівпровідники зазвичай мають невелику провідність, різко залежну від температури. На провідність напівпровідників можна також впливати, вводячи спеціальні домішки (див. Напівпровідники).

Напівпровідникові кристали дозволяють створювати складні електронні напівпровідникові прилади, в тому числі так звані інтегральні схеми. Зараз досягнутий такий ступінь інтеграції, що мільйони окремих елементів уміщаються на площі в 1 см 2. Такий пристрій як би є єдиним кристалом, і нову область техніки не дарма називають твердотільної електронікою.

Величезне значення для сучасної техніки мають магнітні матеріали. Атоми (або частина атомів), з яких складається тверде тіло, можуть володіти магнітним моментом. Якщо взаємодія між магнітними моментами велика, то вони шикуються певним чином, і тверде тіло переходить в феромагнітний або антиферомагнітне стан (див. Магнетизм). На рис. 6 показано розташування магнітних моментів іонів марганцю в решітці оксиду марганцю. Речовина знаходиться в антиферомагнітному стані.

Чим складніше влаштовано тверде тіло, тим важче виявити колективні ефекти. Особливо складно влаштовані органічні тверді тіла, хоча і в них є певна структура. Як саме виникає тут впорядкування, до яких колективних властивостей воно приводить - на ці питання ще належить відповісти. Але ясно, що саме на цьому шляху лежить ключ до розуміння таємниць живої природи.