Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

27 (1). Элементы физики твердого тела.

Что такое «Твердое тело»?

Два агрегатных состояния вещества – жидкость и твердое тело – называются конденсированными. В этих состояниях тела представляют собой сово- купности сильно взаимодействующих частиц (ато- мов, ионов, электронов). Межатомные расстояния в таких телах устанавливаются так, чтобы силы притяжения и отталкивания были уравновешены, поэтому конденсированные вещества оказывают большое сопротивление изменению объема. Те из них, которые, помимо этого, оказывают сильное сопротивление изменению формы, т.е. обладают жесткостью по отношению к сдвигу, называются твердыми телами.

Строго определить границу между твердым телом и жидкостью невозможно. На этой границе находятся так называемые аморф- ные твердые тела, которые под действием напряжения сдвига меняют свою форму, но очень медленно. Поэтому тело в аморфном состоянии можно рассматривать и как твердое тело, и как жидкость с очень высо- ким коэффициентом вязкости.

Дальний и ближний порядок

Многие свойства твердых тел объясняются той периодичностью, с которой размещены в прост- ранстве их структурные элементы. В кристалли- ческих твердых телах присутствует так называ- емый дальний порядок, то есть упорядочен- ность распространяется на весь кристалл. В противоположность этому, аморфные материа- лы, не имеют дальнего порядка, зато имеют ближний порядок, так как локальное окружение каждого атома подобно окружению других таких же атомов, но этот порядок не сохраняется на сколько-нибудь значительных расстояниях.

Схематические изображения строения

кристаллического (а) и аморфного (б) кварца SiO2

По характеру взаимного расположения атомов можно классифицировать твердые тела следующим образом:

1.Идеальные монокристаллы.

2.Монокристаллы с дефектами решетки

(«реальные кристаллы»).

3.Поликристаллы.

4.Двумерные квазиплоские тела (пленки,

поверхностные слои твердых тел). 5.Аморфные твердые тела.

Идеальные монокристаллы

Идеальные монокристаллы характеризуются пра- вильным расположением атомов. В них сущест- вует строгая повторяемость одних и тех же эле- ментов структуры (атомы, группы атомов, моле- кулы). Это свойство называется трансляционной симметрией, или инвариантностью всех характе- ристик при смещении внутри кристалла на вектор R, который называется периодом, или трансля- цией:

Существование трансляционной симметрии эквива- лентно существованию дальнего порядка в рас- положении атомов.

Монокристаллы с дефектами решетки

(«реальные кристаллы»).

Идеальных кристаллов в природе не существует, хотя в лабораториях можно создать кристалл, близкий к идеальному. Реальные кристаллы отли- чаются от идеальных различными отклонениями от строгой периодичности в строении кристалли- ческих решеток. Эти отклонения называются дефектами решетки. Под дефектами понимают вакансии, межузельные атомы, неупорядоченно расположенные атомы примесей, т.е. все, что на- рушает идеальный порядок. Причиной возникно- вения дефектов может быть тепловое движение, примеси, механические напряжения и др.

Поликристаллы

Поликристаллическое вещество состоит

из большого числа различным образом

ориентированных небольших моно-

кристаллов (правильных или содержа- щих дефекты). В поликристаллических телах дальний порядок сохраняется

лишь внутри монокристаллов.

Двумерные квазиплоские тела.

Двумерные квазиплоские тела - это пленки или поверхностные слои твердых тел толщиной от одного атома до нескольких сотен атомов. Для таких тел трансляционный перенос возможен лишь в плоскостях вдоль поверхности этих пленок. Подобные тела являются типичными примерами наноматериалов. Их особые свой- ства обусловлены тем, что силы, действую- щие на частицы, находящиеся в этом слое, со стороны глубинных слоев и со стороны сосед- них частиц данного слоя могут быть сущест- венно различны.