Металофізика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Металофізика

Металофізика , розділ фізики, що вивчає будову і властивості металів . Як і фізика діелектриків і напівпровідників, М. є складовою частиною фізики твердого тіла . Сучасна М. представляє собою синтез мікроскопічної теорії, що пояснює властивості металів особливостями їх атомної будови, і теоретичного металознавства, що використовує макроскопічні методи термодинаміки, механіків суцільних середовищ і ін. для дослідження будови і властивостей реальних металевих матеріалів. Широке використання металів привело до того, що їх основні фізичні і хімічні властивості були вивчені ще в 19 ст Проте природа цих властивостей не могла зрозуміти без розвитку уявлень про атомну будову речовини.

загрузка...

  Мікроскопічна теорія металів почала розвиватися в 20 ст У 1900 П. Друде запропонував модель металу, в якій електропровідність здійснювалася потоком «електронного газу», що заповнює проміжки між атомами. Вважаючи, що електронний газ знаходиться в тепловій рівновазі і що під дією прикладеного електричного поля електрони «дрейфують», стикаючись з атомами, Друде отримав правильну величину електропровідності металів при кімнатних температурах, а також пояснив зв'язок електро- і теплопроводностей ( Відемана — Франца закон ) . Х. Лоренц розвинув ідею Друде, застосувавши до електронного газу кінетичну теорію газів. Проте побудована на вживанні законів класичної механіки і статистики строга теорія Друде — Лоренца виявилася більш уразливою при зіставленні з експериментом, чим її примітивний варіант. Окрім того, що її виводи не відповідали температурній залежності електропровідності, вона не могла пояснити, чому електронний газ не впливає на теплоємність металів (не спостерігалося помітного відхилення теплоємності металів від Дюлонга і Пті закону, справедливого як для металів, так і для неметалів). Не знаходила пояснення також величина парамагнітної сприйнятливості металів, значно менша, ніж передбачала теорія, і її незалежність від температури.

  В 1927—28 Ст Паулі і А. Зоммерфельд пояснили «аномалії» парамагнітної сприйнятливості і теплоємності тим, що доля електронів, що беруть участь в перенесенні електричного заряду і тепла і відповідальних за парамагнетизм спину, дуже мала. Основна ж частина електронного газу при звичайних температурах знаходиться у виродженому стані, при якому вона не реагує на зміна температури (див. Вироджений газ ) . Ці роботи лягли в основу сучасної електронної теорії металів. У 1930 Л. Ландау показав, що діамагнетизм металів обумовлений орбітальним рухом цих же електронів і складає 1 / 3 парамагнетизму спину. У магнітних полях і при низьких температурах він може виявлятися у вигляді складної періодичної залежності магнітного моменту від поля. Квантові осциляції магнітної сприйнятливості і електроопоу в магнітному полі були потім виявлені експериментально (див. Де Хааза — ван Альфена ефект ) .

  В 1929—30 Ф. Блох і Л. Бріллюен розглянули вплив періодичного поля кристалічної решітки на електронний газ.(газета) Це дозволило пояснити, наприклад, довжину вільного пробігу електронів в металі, що набагато перевищує середню відстань між атомами, і привело до створення зонної теорії твердих тіл. Для металу визначає є наявність незаповненої енергетичної зони, через яку проходить Фермі поверхню. Теплопровідність, електропровідність і багато ін. властивості металів визначаються електронами саме цієї зони (електронами провідності). Досліджуючи відгук металу на дію статичних і змінних електричних і магнітних полів (квантові осциляції, гальваномагнітні явища, магнітоакустичний ефект, циклотронний резонанс і ін.), знаходять для електронів закон дисперсії (залежність енергії від імпульсу). В сукупності з даними про енергетичний спектр електронів (отримуваних, наприклад, з емісійних рентгенівських спектрів) це дає досить повне уявлення про електрони в металі.

  Вивчення самих грат також важливе, т.к. єє особливості визначають такі властивості металів, як теплоємність і електропровідність. Методи електронографії, рентгенографії і нейтронографії дозволили розшифрувати атомну і магнітну структури металів, а також досліджувати теплові коливання кристалічної решітки. Резонансні методи (ЕПР, ЯМР, Мессбауера ефект ) зробили можливим вивчення локальних внутрішньокристалічних магнітних і електричних полів в металах (див. Кристалічне поле ) .

  Застосування до електронів в металі теорії обмінної взаємодії (Ст Гейзенберг, П. Дирак, 1927) дозволило зрозуміти природу феромагнетизму і виявити нові магнітоупорядоченниє стани металу — антиферомагнетизм (Л. Нєєль, 1932) і феримагнетизм . Дослідження взаємодії електронів один з одним і з гратами дозволило розкрити природу надпровідності (Дж. Бардін, Л. Купер, Дж. Шріффер, 1957). Вивчення нормальних, надпровідних і магнітоупорядоченних (ферро-, антіферро- і феррімагнітних) металів — три основні напрями мікроскопічній теорії металів.

  Теорія дефектів. Дефекти в кристалах впливають практично на всі властивості металів. Вплив дефектів почали вивчати в 40-і роки у зв'язку з вивченням дифузії і пластичній деформації (див. Пластичність ). Центральне місце в теорії дефектів займає уявлення про дислокації, переміщення яких пояснює пластичні деформації кристалів. Ці вистави з'явилися в роботах ряду дослідників (Л. Прандтль, 1928, Ю. Делінгер, 1929, Е. Орован, М. Поляні, В. Тейлор, 1934, Я. І. Френкель, 1938) унаслідок неможливості пояснити малий опір деформації в рамках мікроскопічної теорії ідеального кристала, що давала оцінку, в десятки тис. разів що перевершує спостережувані величини. Дослідження дислокацій (в т.ч. за допомогою електронного мікроскопа і рентгенівської топографії) у поєднанні з теоретичними дослідженнями в 50—60-і рр. дозволили пояснити більшість механічних властивостей металів. Наприклад, межа текучості і деформаційне старіння металів пояснюються пружною взаємодією дислокацій з домішковими атомами; деформаційне зміцнення — дислокаційними скупченнями (Н. Ф. Мотт, Же. Фрідель, А. Зегер і ін.); процеси полігонізациі (розбиття деформованих монокристалів на блоки) — дислокаційною структурою кордонів зерен (Ст Рід, В. Шоклі, Ф. Франк і ін.).

  Народження і переміщення точкових дефектів приводять до утворення дислокації і, крім того, грають самостійну роль в процесах дифузії, самодифузії і пов'язаних з ними явищах. Т. о., сукупність дефектів в кристалі, твірна його дефектної структури, визначає багато властивостей реального металу. Це відноситься не лише до механічних властивостей. Розсіяння електронів і фононів на дефектах може грати важливу роль в багатьох кінетичних явищах в металах. Вивчення впливу дефектів на фізичні властивості — область, що швидко розвивається, сучасною М.

  Сплави. Гетерофазниє структури. Здатність утворювати тверді розчини і сплави — одне з найважливіших властивостей металів, що забезпечує їм широке вживання. Теорія сплавів — старий напрям М., розвиток якого тісно пов'язаний з проблемами практичного металознавства.

  Явище поліморфізму широко використовується на практиці для додання металевим матеріалам бажаних властивостей дорогою термічної обробки. Поліморфне перетворення приводить до корінної зміни всіх фізичних властивостей металу (незрідка при цьому відбувається перетворення металу на неметал). Важливий напрям в М. — вивчення поліморфних модифікацій, що виникають в умовах високого тиску, надсильних магнітних полів і т.п. Дослідження областей стійкості різних поліморфних фаз залежно від зовнішніх умов (температури, тиску, полів), а для сплавів також від концентрації дозволяє побудувати діаграми стану .

  Теорія фаз, що почала розвиватися ще в 19 ст, розглядає фазові рівноваги, фазові перетворення, а також структуру і властивості гетерофазних систем. Перетворення одній (фази в іншу, як правило, відбувається шляхом освіти у вихідній фазі окремих кристалів нової фази, які зростають, взаємодіють і утворюють складну гетерофазную систему (див. Подвійні системи ). Форма, розмір і взаємне розташування кристалів визначають гетерофазную структуру реального металу. Регулюючи гетерофазную структуру, можна змінювати властивості металевих матеріалів. При цьому властивості гетерофазной системи можуть не зводитися до «суми властивостей» окремих фаз. Така неаддитивність властивостей пов'язана з наявністю міжфазних кордонів, питомий об'єм яких в мелкодісперсних системах може бути досить великий, а також із значним спотворенням фаз із-за їх пружної взаємодії. Вплив пружної взаємодії фаз якнайповніше виявляється при фазових перетвореннях мартенситного типа, коли не міняються ні склад, ні міра порядку, а фази відрізняються лише положенням вузлів кристалічних решіток. Фізична природа мартенситних перетворень досліджувалася в роботах Р. Ст Курдюмова із співробітниками (див. також Мартенсіт ).

  Вивчення еволюції гетерофазной системи в часі за різних зовнішніх умов, тобто кінетики фазового перетворення, дозволяє судити про проміжні стани гетерофазной структури, які виникають в процесі перетворення і потім можуть достатньо довго зберігатися, якщо зміну зовнішніх умов «заморожує» перетворення. Прикладом такої нерівноважної гетерофазной структури служать полікрісталли, розмір зерен яких визначається швидкістю зародження і зростання зерен в процесі кристалізації . Унаслідок пружної взаємодії між фазами часто утворюються багатофазні метастабільні стани, що характеризуються регулярним просторовим розташуванням фаз.

  Т. о., будова реальних металів характеризується наявністю трьох структур різного масштабу: мікроскопічною (атомно-кристалічною), дефектною і гетерофазной. Між різними «поверхами» цієї «ієрархії» структур існує тісний взаємозв'язок, проте відмінність в масштабах виправдовує відмінність, що історично склалася, в методах їх експериментальне і теоретичне вивчення. З цим пов'язано існування трьох напрямів М.: мікроскопічна теорія металів, дослідження дефектів і їх впливу на властивості металів, вивчення фаз і гетерофазних металевих матеріалів, які з різних сторін вирішують загальну проблему М., — зв'язок фізичних властивостей металу і явищ, що спостерігаються в нім, з його будовою і залежність внутрішньої будови металів від зовнішніх умов.

 

  Літ . див.(дивися) при ст. Метали .

  Ю. А. Осипьян, А. Л. Ройтбурд.