книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

Прошло еще 100 лет, и американский химик Т. Ри­ чардс, удостоенный в 1914 году Нобелевской премии, получил весьма точные данные об атомных весах эле­ ментов, вернее, о среднем весе изотопов, составляю­ щих химический элемент.

В 1911 году было излишне спрашивать: «Есть ли жизнь на других планетах?» По-видимому, почти столь же безнадежно звучал тогда вопрос: «Что прёдставляет собой атом?» О нем еще слишком мало зна­ ли. Но вот Э. Резерфорд открыл атомное ядро. Он показал, что мир атома в миниатюре повторяет мир Солнца. Атом состоит из ядра с положительно заря­ женными протонами, число которых определяет по­ рядковый номер и равно числу электронов, окру­ жающих ядро в нейтральном атоме.

В1919 году Э. Резерфорд осуществил великую мечту алхимиков, превратив одно атомное ядро в другое. Альфа-частицы проникали в ядра атомов азо­ та и отрывали от них протоны. Ядра атомов азота превращались в ядра атомов кислорода. Изменение заряда ядра атома вызвало превращение одного эле­ мента в другой.

В1932 году Д. Чедвик открыл приблизительно

элемента должны содержать одно и то же число про­ тонов, но разное число нейтронов.

После всех этих открытий стало ясно, что атомы элементов различаются числом протонов ядра и ко­ личеством электронов.

На долю восьми элементов (кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, натрия, калия и магния) приходится более 98,5 процента веса верхнего слоя Земли. Все элементы находятся в соединениях друг

Ю

с другом. Наиболее часто в верхнем слое Земли встречается двуокись кремния (силиция)—кремне­ зем SÌO2. В сочетании с перечисленными элементами кремний и кислород образуют силикаты, из которых состоит доступная человеку твердая часть Земли.

Керамика — Первый неорганический материал, по­ лученный человеком путем структурного видоизме­ нения. За ней идут металлические сплавы, стекло, пластмассы и многие другие материалы. Все они по­ строены из молекул и атомов, определяющих свой­ ства вещества. Молекулы и атомы расположены в определенном порядке или беспорядке, которые неот­ делимы друг от друга. Переходы от беспорядка к от­ носительному порядку и'наоборот, по меткому заме­ чанию профессора А. Китайгородского, лежат в ос­ нове технологических процессов получения конструк­ ционных материалов.

Первые книги по материаловедению суммировали эмпирические знания, накопленные ко времени их из­ дания. Таковы «Пиротехния» В. Бирингуччо (1480— 1539)—обширное изложение технологии операций литейщика и кузнеца и «О горном деле и металлур­ гии» Г. Агриколы (1494—1555), где рассказывается о разработке и плавлении руд.

Еще в 1665 году англичанин Р. Гук показал, как выглядит кристаллическая структура некоторых ме­ таллов, сложив кучки из круглых мушкетных пуль.

Большой вклад в развитие науки о структуре ма­ териалов внес французский ученый Р. Реомюр, опы­ ты которого отличались большой точностью. Ему уда­

лизируя структуру стали, обратил внимание на фазо­ вые превращения при ее нагревании.

,11

В 1897 году французский ученый А.-Л. Ле-Ша- телье создал, первый микроскоп для наблюдения не­ прозрачных тел в свете, отраженном их поверхностью. Металл • предстал перед исследователем в виде бес­ численного множества различным образом ориенти­ рованных и связанных между собой зерен. Каждое зерно имело неправильную форму и представляло собой отдельный кристалл (монокристалл).

Оправдалось гениальное предвидение И. Ньютона о том, что свойства кристаллических материалов оп­ ределяются расположением, формой и размером крис­ таллических зерен. Ньютон писал: «Нельзя ли пред­

правильных фигурах, но также посредством некото­ рой полярной способности повернули свои одинако­ вые стороны в одинаковом направлении?»

В 1912 году М. Лауэ открыл явление дифракции рентгеновских лучей. Появилась возможность экспе­ риментально наблюдать расположение атомов в твердом теле и структуру кристаллов. Было доказа­ но, что рентгеновские лучи представляют собой такие же колебания, как обычный свет, но с гораздо более короткой длиной волны. Длина волны рентгеновских лучей имеет тот же порядок, что и межатомные рас­ стояния в кристаллах, и правильное расположение атомов в периодической решетке обусловливает по­ явление дифракционных максимумов под определен­ ными, резко выраженными углами.

Рентгеноструктурный метод позволил определить взаимное расположение атомов в кристаллах тысяч веществ. Возникла новая наука — кристаллохимия, устанавливающая зависимость между химическим составом вещества, его кристаллической структурой и свойствами. Благодаря рентгеноструктурному ана­

12

КАКИЕ СВОЙСТВА САМЫЕ ВАЖНЫЕ?

Проблема резкого повышения прочности металла, получения сверхпрочных материалов — одна из важнейших в современной тех­ нике.

И. А. Оіїинг

ще полвека назад выбор кон­ струкционных и Строительных материалов у инженера и строителя был весьма

небольшой.

Твердые тела обладают различными свойствами: механической прочностью, электропроводностью, прозрачностью и т. д.

Прозрачность сделала стекло незаменимым строи­ тельным материалом. Однако прочность его невысо­ ка. Недаром говорят: хрупко, как стекло.

Когда хотят отметить особо высокую прочность материала, замечают: прочный, как сталь. Века сталь была эталоном прочности. Вообще с металла­ ми у нас связано представление о прочности. Ме­ таллы являются проводниками электричества и по­ тому используются в линиях электропередачи. Стек­ ло электричество не проводит и зачастую служит в качестве изолятора.

Какие же свойства твердых тел можно считать главными? По меткому выражению академика П. А. Ребиндера, техника —это мир твердых тел, для ко-

14

торых, независимо от их конкретного применения, самыми важными являются механические свойства, над улучшением которых работают многие ученые. Без преувеличения можно сказать, что новая техни­ ка во многом обязана своим рождением высокопроч­ ным материалам.

Нагрузку, приложенную к конструкционному ма­ териалу, инженеры относят к единице площади. В этом случае пользуются термином «напряжение». Под действием нагрузки при растяжении металличе­ ский стержень может удлиняться. Величина его удлинения, отнесенная к начальной длине, называет­ ся относительной деформацией.

Р. Гук впервые высказал мысль о том, что между напряжением и относительной деформацией сущест­ вует зависимость. Позднее Т. Юнг (1773—1829) ввел в технический обиход постоянную величину — модуль упругости, названный модулем Юнга. Он характери­ зует отношение напряжения к относительной дефор­ мации и определяет жесткость материала.

Отчего же разрушаются материалы, каковы ме­ ханизмы разрушения? Это пластическое течение и хрупкое разрушение.

Пластилин и металл. В механизме их разруше­ ния при растяжении много общего. Под действием напряжения в объеме металла развивается упругая деформация, при которой атомные слои, не разде­ ляясь, взаимно сдвигаются.

Незначительно деформированный металл облада­ ет ничуть не меньшей прочностью, чем недеформи­ рованный. Это объясняется «умением» атомов ме­ талла устанавливать друг с другом новые связи. Когда же напряжение достаточно велико, в металле может возникнуть ползучесть, которая не исчезает после снятия напряжения при высокой температуре.

15

При хрупком, разрушении действует растягиваю­ щее напряжение, мгновенно разделяющее два сосед­ них слоя атомов или молекул. Потенциальные воз­ можности обоих механизмов разрушения заложены природой во все материалы.

Экскурс в историю создания гигантских соору­ жений наглядно демонстрирует борьбу архитекто­ ров с возможностью появления трещин. Каждый ар­ хитектор стремился заменить растягивающие нагруз­ ки сжимающими. Древние египтяне, добавлявшие солому в глину, инки и майя, использовавшие для этого растительные волокна, хотели одного — не до­ пустить появления трещин в строительном мате­ риале.

Хрупкий бетон в предварительно напряженном железобетоне удерживают в сжатом состоянии прочной предварительно растянутой металлической арматурой. В закаленном листовом стекле наружные слои находятся в сжатом состоянии. Микронеодно­ родности ситаллов, состоящих из микрокристалличе­ ской фазы (кристалликов), которые разделены свое­ образной границей в виде стекловидной фазы, за­ трудняют распространение микротрещин.

Конструкционный материал должен противосто­ ять всем видам нагрузки: длительному воздействию внешних сил (длительная прочность), низким и вы­ соким температурам, облучению и др.

Бесспорно, что среди конструкционных материа­ лов металлы занимают особое место. Только им при­ суще сочетание прочности и жесткости, электропро­ водности и теплопроводности. Возможность исполь­ зования металлов в условиях высокой температуры, иногда более тысячи градусов, делает их незамени­ мыми для тяжелой индустрии. Задача не только в том, чтобы увеличить количество производимого ме-

16

▲том, КОТОРЫЙ ПОСТРОИЛ БОР

Атом железа остается тем же, независимо от того, пролетает ли он внутри метеора межзвездное пространство, катится ли с гро­ хотом по рельсам в колесе локо­ мотива или как составная часть гемоглобина течет в мозгу поэта.

Э. Дюбуа-Реймон

огда Э. Резерфорд открыл ядро атома, он воскликнул:

«Теперь я знаю, как выглядит атом!» Резерфорд ошибался. Лишь сейчас, по прошествии более полу­ века, мы располагаем почти совершенной моделью атома.

Атом водорода Нильса Бора! Датский ученый первым построил его модель, разработал теорию распределения и движения электронов, связал элек­ тронную структуру с энергетическим состоянием ве­ щества, объяснил суть пёриодичеокого закона.

Модель Бора — планетная система в миниатюре, не подвластная механике Ньютона, но подчиняющая­ ся созданной в середине двадцатых годов новой ме­ ханике для микрочастиц, получившей название кван­ товой или волновой.

Теория Бора, объяснявшая спектр атома водоро­ да на основе квантовой механики, была не в состоя­ нии сделать то же самое по отношению к спектрам других атомов. Квантовая механика должна была объяснить волновые свойства частиц, и тут француз-

18

скому ученому Л. де Бройлю пришла блестящая идея. В 1924 году он предположил, что электроны обладают волновыми свойствами, и предложил фор­

система может быть определена с любой желаемой степенью точности. Однако В. Гейзенберг показал, что в мире атома сам процесс измерения вносит не­ определенность в измеряемые величины. Здесь нель­ зя знать одновременно и положение и количество движения электрона. Предсказать можно только ве­ роятность того, что электрон находится в заданной точке в данный момент времени.

Квантовая механика Гейзенберга, разработанная им в 1925 году, рассматривает орбиты Бора как не­ сколько размазанные области, в которых может на­ ходиться электрон.

Австрийский ученый Э. Шредингер в начале 1924 года создал теорию волновой механики и пред­ ложил уравнение в частных производных второго по­ рядка, где независимыми переменными являются координаты и время.

Г. Лоренц, А. Эйнштейн, Н. Бор, В. Гейзенберг, Л. Ландау, В. Фок, Я. Френкель и другие выдаю­ щиеся физики внесли существенный вклад в волно­ вую теорию Шредингера.

Таким образом, квантовая теория оказалась тем фундаментом, на котором получила развитие атом­ ная физика. Еще 50 лет назад никто не мог предпо­ ложить, что она способна повлиять на политическую ситуацию в мире. Иллюзии некоторых буржуазных политиков, заключающейся в том, что можно побе­

19