§11. Факторы, обусловливающие ближний порядок
Ближний порядок, как и дальний, возникают за счёт различия в межатомных взаимодействиях, существующих между атомами разного сорта в твёрдых растворах. Поэтому проблема взаимодействий, обусловливающая упорядочение в реальных твёрдых растворах является одной из наиболее фундаментальных проблем физики конденсированного состояния вещества. Хотя решению проблемы межатомного взаимодействия в кристаллах уделяется очень большое внимание, она пока ещё разработана недостаточно.
В теории металлов и твёрдых растворах полная энергия представляется нередко в виде суммы энергий взаимодействий пар атомов. Однако, здесь нужно учесть, что помимо энергии непосредственно парных взаимодействий, возникающих, например, из-за кулоновских взаимодействий между ионами, перекрытия атомных орбиталей соседних атомов, определённый вклад в полную энергию дают коллективные члены, обусловленные взаимодействующими электронами проводимости, колебаниями атомов и т. д. В следующем порядке теории возмущений эти коллективные члены так же могут быть представлены в виде парных взаимодействий. Поэтому модель парных взаимодействий, несмотря на свою ограниченность, является одной из основных при анализе энергетических характеристик твёрдого раствора, а так же жидкостей, и аморфных тел.
Кроме рассмотренных упорядочивающихся кристаллических систем имеется ещё очень обширные классы материалов, которые также можно отнести к неупорядоченным системам это: жидкости, аморфные твёрдые тела, жидкие металлы, стёкла и т. д. Некоторым методам их исследования посвящена следующая глава.
Глава IX.Строение жидкостей и аморфных тел
§1. Особенности твёрдого, жидкого и газообразного состояний вещества
Жидкое состояние вещества является промежуточным между твёрдым и газообразным состоянием.
На рис.
представлена фазовая диаграмма
однокомпонетного материала.
Область
существования жидкости ограничена со
стороны низких температур переходом в
твёрдое состояние линия (cdd`),
а со стороны высоких – переходом в
газообразное состояние линия (сe).
Линия AK, разделяющая
жидкую фазу и газообразную фазу,
заканчивается критической точкой K,
соответствующей температуре
и давлению
,
выше которой невозможно существование
жидкости в равновесии с паром. Линия
равновесия жидкость – твёрдое тело
критической точки не имеет.
У
металлов температура плавления повышается
с увеличением давления (криваяАВ), а,
например у льда, кремния, германия –
понижается (криваяАB`).
Точка, обозначенная, как A
на диаграмме состояния соответствует
температуре и давлению, при которых в
закрытом сосуде находятся в равновесии
твёрдая, жидкая и газообразная фазы.
Большинство кристаллов характеризуется
сравнительно плотной упаковкой. Считая
атомы шарами, можно утверждать, что в
рамках основных свойств симметрии
решётки или ограничений, накладываемых
связью, каждый атом касается, возможно,
большего числа соседей. Как мы знаем,
из первой части курса, одна из стандартных
задач физики металлов как раз и состоит
в определении геометрических соотношений,
позволяющих различными способами
построить плотную упаковку из атомов
– твёрдых шаров эаданных размеров, и,
таким образом понять, почему на опыте
наблюдаются те или иные кристаллические
структуры сплавов и соединений. Далее.
Атомы, ионы или молекулы кристаллов
совершают согласованные (коллективные)
колебания около фиксированных положений
равновесия, оказывающие сильное влияние
на оптические, магнитные и другие
свойства вещества. В газообразном
состоянии вещества атомы и молекулы
взаимодействуют друг с другом посредством
Ван – дер – ваальсовых сил притяжения
на больших по сравнению с размерами
частиц расстояниях и квантовомеханических
сил отталкивания на малых расстояниях.
Силы притяжения в газах очень малы,
чтобы надолго удержать молекулы вместе,
поэтому расположение молекул в газе
хаотическое. Молекулы газа находятся
в непрестанном движении, которое
совершается в виде несогласованных
перемещений, заканчиваясь столкновениями
в конце перемещений равных длине
свободного пробега.
Жидкость – система динамическая. Атомы или молекулы сохраняют ближний порядок во взаимном расположении, участвуют в тепловом движении, которое сложнее чем в кристаллах. Они также совершают колебания около положения равновесия, но эти положения не являются фиксированными. Совершив некоторое число колебаний около одного положения равновесия, молекулы перемещаются в соседнее положение, обусловливая явление диффузии. Согласно Я. И. Френкелю, длительность пребывания молекулы во временном положении равновесия – время осёдлой жизни – определяется формулой
,
где
–
период колебаний молекулы около положения
равновесия;
–
высота потенциального барьера, который
отделяет друг от друга два соседних
положения равновесия: её часто называют
энергией активации;
– постоянная Больцмана; T
– термодинамическая температура.
Числовое значение времени оседлой жизни
зависит от строения и вязкости жидкости.
По теоретическим оценкам, для аргона
вблизи тройной точки
;
для воды при комнатной температуре
,
а
.
Следовательно, каждая молекула воды
совершает около 100 колебаний относительно
одного и того же положения равновесия,
прежде чем переменить место.