Физика твердого тела - специальный раздел физики
Физика твердого тела сумела связать свойства твердых тел с их строением и со свойствами частиц, из которых они построены. На эту область физики приходится немалая часть современных физических исследований. Под твердым телом понимают именно вещество в твердом состоянии. Иногда в руках физиков имеется для исследования крупинка вещества или пленка толщиной в несколько микрон, а иногда образец столь велик, что его можно считать бесконечным.
При всем различии твердых тел их структура похожа. Как уже говорилось, твердые тела имеют либо кристаллическую, либо аморфную структуру. Попробуем представить себе процесс кристаллизации. Пусть для определенности кристалл растет из раствора, куда мы поместили затравку. Кристалл растет слой за слоем, будто подчиняясь какому-то плану. Мы знаем, что процесс роста - естественный процесс - следствие законов физики: силы притяжения между молекулами заставляют их сближаться, а "потребность" добиться минимума энергии заставляет молекулу искать место, где действующая на нее сила равна нулю.
Строение молекул определяет силу притяжения между молекулами, а эта сила - энергию связи между частицами, энергию, которую нужно придать частице, чтобы отделить ее от твердого тела. Оценкой энергии связи может служить температура плавления твердого тела. Зависимость температуры плавления Тпл веществ от атомного номера элемента Z - от числа электронов в атоме демонстрирует периодический закон Менделеева и показывает, сколь различны температуры плавления различных элементов.
Некоторые вещества встречаются в природе в различных модификациях. Особенно яркий пример - углерод. И алмаз и графит - разные модификации одного и того же углерода. И это отнюдь не все модификации: в 1985 году были открыты и более сложные углеродные молекулы в форме сфер и трубок - фуллерены и тубелены. Физические свойства разных модификаций одного и того же вещества могут кардинально отличаться. Классические примеры: алмаз и графит, белое и серое олово.
Существование веществ в разных формах называется полиморфизмом. Полиморфизм - свидетельство того, как велико влияние на свойства тел взаимного расположения частиц, из которых тело состоит.
Остановимся и просуммируем сказанное.
Вещества состоят из молекул. Построенные из атомов, молекулы бесконечно разнообразны. Одни молекулы состоят из нескольких атомов: в молекуле воды Н2О три атома, в молекуле кислорода О2 всего два, молекулой инертного газа, например неона, надо считать просто атом неона. Другие молекулы состоят из большого числа атомов, например, в молекуле гемоглобина их около 5000.
В твердом состоянии вещества устроены сравнительно просто.
Почти все, чем мы пользуемся, создано руками человека. Предметы, устройства, машины и приборы могут быть очень сложными.
Некоторые творения природы бывают удивительно красивы. Все мы неоднократно любовались горами, скалами, бесконечными пляжами, а в минералогических музеях - кристаллами.
И все же: все тела неживой природы построены из неорганических веществ. Поражающие воображение структуры и самые вычурные творения инженерного искусства - результат комбинации неорганических веществ. А они, неорганические вещества, сравнительно просты по своему устройству. Просты, если их сравнивать с живыми существами.