к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Металлы

Металлы - традиционно определяются как конденсированное состояние вещества (твёрдое тело, жидкость), построенного из атомов M. в хим. понимании, т. е. легко отдающих электроны в процессе хим. реакций. Характерные признаки M.: высокие электро- и теплопроводность, причём электропроводность повышается с понижением темн-ры T, а также пластичность.

Металлическое состояние. Основанием для выделения M. в отд. класс веществ служит деление всех веществ по электрич. свойствам на проводники и изоляторы (полупроводники и полуметаллы занимают промежуточное положение). M.- проводники. Однако нек-рые элементы в зависимости от кристаллич. структуры могут быть проводниками (M.), изоляторами (диэлектриками), полупроводниками или полуметаллами. Примеры: Sn (белое олово - M., серое - полупроводник); С (графит - полуметалл, алмаз - диэлектрик, см. Полиморфизм ).В результате можно говорить о металлич. состоянии вещества, понимая под этим такое состояние, при к-ром в теле есть достаточно большое кол-во коллективизиров. подвижных электронов (электронов проводимости или свободных электронов), причём их подвижность не есть результат термич. возбуждения; если тело в данном состоянии существует вплоть до T = 0 К, то и при T = 0 К в нём есть электроны проводимости. Наличие электронов проводимости - обязат. признак структуры M. Представление о M. как о веществе, состоящем из положит, ионов и свободных электронов, достаточно точно отражает строение реальных M. Электроны компенсируют силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ионами, и тем самым связывают их в твёрдое тело или жидкость. Электроны проводимости определяют не только электрич., магн., оптич. и др. типично электронные свойства, но и их теплопроводность, а при низких темп-pax - теплоёмкость. Значительна роль электронов в сжимаемости M. и др. механич. характеристиках, их наличие делает M. пластичным.

Фазовые переходы в M. сопровождаются изменением свойств электронной системы. Иногда причиной перехода служит изменение электронного спектра, а изменение кристаллич. структуры носит вторичный характер [напр., переход из нормального состояния M. в сверхпроводящее или из парамагнитного в ферро-или антиферромагнитное (ФМ, АФМ, табл. 1)], В твёрдом состоянии M.- кристаллы (в парообразном - одноатомные газы). Темп-ры плавления Tпл всех M. выше 300 К (кроме Hg с3022-56.jpg, так что в обычных условиях M.- твёрдые тела. При плавлении M. сохраняет металлич. свойства (см. Жидкие металлы ).Искусственно созданы аморфные твёрдые M. (см. Аморфные металлы, Металлические стёкла).

В металлич. состоянии могут находиться сильно ле-гиров. полупроводники (электроны проводимости в них существуют при T = 0 К), а также вещества, состоящие из неметаллич. атомов, напр, полимерный кристалл 3022-57.jpgМеталлич. свойствами обладают нек-рые хим. соединения, напр, кристаллы окислов типа3022-58.jpg3022-59.jpg халькогенидов 3022-60.jpg и более сложных соединений (AuTe2, Br и др., кристаллы, содержащие органич. комплексы, см. Органические проводники), а также многокомпонентные материалы со структурой типа перовскита (напр., 3022-61.jpg или со слоистой структурой (напр.,3022-62.jpg, являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками (напр., температура сверхпроводящего перехода 3022-63.jpg К).

К M. относят интерметаллические соединения типа 3022-64.jpg , AgZn и др., к-рые от обычных M. отличаются лишь более сложной кристаллич. структурой.

Большинство M. кристаллизуется в структуры, отвечающие плотной упаковке атомов с гранецентриров. кубической (ГЦК) и гексагональной (гекс) решётками (обе имеют макс, координационное число - 12). Др. решётки M. тоже достаточно просты: объёмноцентри-рованная кубическая (ОЦК) у щелочных M., тетрагональная (тетр) с 1-2 атомами в элементарной ячейке. Лишь небольшое число M. имеют более сложное строение (слож.), напр. Mn, в элементарной ячейке к-рого 58 атомов (табл. 1).

За исключением Au, Ag, Pt, Cu, встречающихся в самородном состоянии, остальные M. в природе существуют в составе хим. соединений - окислов, сульфидов и др., образующих руды. Относит, распространённость нек-рых M. в земной коре приведена в табл. 2.

Табл. 2.

3022-65.jpg

Промышл. использование M. прямо не связано с их распространённостью в земной коре, а зависит от развития способов извлечения M. из руд, очистки, потребностей техники и т. п. Широкое применение самого распространённого на Земле M.- Al началось лишь в 20 в. По-видимому, первый M., использованный человеком,- Cu.

Обычно анизотропия свойств M., напр, анизотропия электропроводности3022-66.jpg, выражена слабо. Однако в ряде случаев особенности структуры, напр, слоистое строение графита, графита, интеркалированного примесями (см. Интеркалированные соединения), дихалькогени-дов, приводят к различию s вдоль и поперёк слоев на неск. порядков. В комплексных соединениях, обладающих металлич. свойствами, таких, как3022-67.jpg

3022-68.jpg , или в соединениях, молекулы к-рых содержат комплекс тетрацианохинодиметана (TCNQ), проводимость осуществляется по цепочкам металлич. атомов. Вдоль этих цепочек она на много порядков выше, чем проводимость в поперечном направлении (см. Квазиодномерные соединения). Двумерные M. создаются искусственно, напр, в тонких плёнках (см. Квазидвумерные соединения).

Число электронов проводимости в 1 см3 (или их число на элементарную ячейку кристалла либо на 1 атом) h - важнейшая характеристика металлич. состояния. Как правило, из всех атомарных электронов "освобождаются" (коллективизируются) только валентные. Это даёт возможность по хим. свойствам атомов, из к-рых состоит кристалл, и по его геом. структуре определить h как 3022-69.jpg, где Z - число валентных электронов в элементарной ячейке объёма v0 (табл. 3).

3022-70.jpg

Табл. 3. Плотность электронов проводимости h и энергия Ферми 3022-71.jpg ряда металлов

3022-72.jpg

Природа металлического состояния. MH. характерные свойства M. можно понять, считая, что электроны проводимости - идеальный вырожденный газ фермионое ,а роль ионов сводится к созданию потенциальной ямы, в к-рой движутся электроны (модель Друде - Лоренца - Зоммерфельда; см. Друде теория металлов, Зом-мерфельда теория металлов). Темп-pa вырождения Tp электронного газа в этой модели определяется энергией Ферми3022-73.jpg 3022-74.jpg:

(т - масса электрона). Тсмп-ра 3022-75.jpg К.

Поэтому практически при любой температуре T, при к-рой вещество существует в конденсиров. состоянии, электронный газ в M. вырожден3022-76.jpg(см. Вырождения температура, Вырожденный газ).

Более полное и строгое объяснение свойств M. даёт зонная теория твёрдого тела. Зонная теория исходит из рассмотрения движения отд. электрона в периодич. поле сил 3022-77.jpg, создаваемых ионами кристаллич. решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение):


3022-78.jpg


где r - пространств, координата точки, a - период решётки (см. Блоховские электроны ).Хотя энергия взаимодействия электронов друг с другом не меньше, чем энергия взаимодействия с ионами, одноэлектронное приближение имеет обоснование. Во-первых, 3022-79.jpg включает совокупное действие всех остальных электронов, кроме рассматриваемого, причём для качеств, выводов потенциал U(r)можно не конкретизировать, используя только его свойства симметрии (прежде всего периодичность). Во-вторых, построив одноэлектронное приближение, можно обобщить его, учтя взаимодействие между электронами проводимости (на основании теории ферма-жидкости).

Периодичность U(r)позволяет характеризовать стационарное состояние электрона проводимости квазиимпульсом3022-80.jpg(3022-81.jpg- квазиволновой вектор), аналогичным импульсу частицы в свободном пространстве. Волновая функция электрона в стационарном состоянии - решение Шрёдингера уравнения для электрона, отвечающая собств. значению энергии электрона3022-82.jpg. И волновая функция и собств. значение энергии (в отличие от случая свободного электрона) - периодич. функции квазиимпульса. Периодичность в импульсном пространстве - следствие полной физ. эквивалентности состояний с квазиволновыми векторами, отличающимися на3022-83.jpg. Это означает, что для полного описания всех состояний достаточно использовать3022-84.jpgиз одной ячейки обратного пространства. Как правило, её выбирают в виде первой Бриллюэна зоны. Индекс s, нумерующий решения ур-ния Шрёдингера, наз. номером зоны, 3022-85.jpg - законом дисперсии электронов или электронным спектром кристалла, соответствующим полю3022-86.jpg В каждой разрешённой эноргетич. зоне состояния электронов заполняют полосу между3022-87.jpgи3022-88.jpg. Зоны могут перекрываться, но их индивидуальность при этом сохраняется. Перекрытие зон, как правило, не сопровождается вырождением. Вырождение наступает при совпадении энергий (из разных зон) и квазиимпульсов. Вырождение накладывает ограничение на структуру изоэнергетич. поверхности вблизи точки вырождения. С помощью законов дисперсии можно рассчитать плотность электронных состоянии в зоне 3022-89.jpg

Сходство и различие между свободными электронами и электронами проводимости иллюстрируется табл. 4.


Табл. 4.

3022-90.jpg


3022-91.jpg

Рис. 1. Схема заполнения зон диэлектрика или полупроводника (а), металла (б), полуметалла (в). Жирные линии /(P)- заполненные состояния, тонкие - пустые; пунктир - уровень химического потенциала, совпадающий в металлах с энергией Ферми3022-92.jpgпри3022-93.jpg 3022-94.jpg- максимальный квазиимпульс, соответствующий границе зоны Бриллюэна.

Зонный характер спектра и Паули принцип позволяют сформулировать принципиальное отличие M. от диэлектрика. T. к. в каждую зону может «поместиться» не более 2N электронов (N - число ячеек в кристалле), то в зависимости от числа электронов, приходящихся на ячейку, и взаимного расположения зон могут осуществляться 2 случая: либо в осн. состоянии (при T = 0 K) имеются только целиком заполненные зоны и пустые (рис. 1, а), либо есть зоны, частично заполненные электронами (рис. 1, б, в). В первом случае кристалл - диэлектрик (или полупроводник), во втором - M. (рис. 1, в соответствует полуметаллу).


Поверхность Ферми. В M. граница заполнения уровней электронами попадает в разрешённую зону и наз. энергией Ферми3023-1.jpgСоответствующая ей изоэнергетич. поверхность

3023-2.jpg

наз. поверхностью Ферми. Поверхность Ферми отделяет область занятых электронами состояний в импульсном пространстве от свободных.

Поверхность Ферми - обязат. атрибут металлич. состояния кристаллов. Если поверхность Ферми пересекает границы зоны Бриллюэна (напр., у Cu), то удобно использовать расширенное 3023-3.jpg-пространство. В этом случае отчётливо видна его периодичность. У щелочных металлов (Li, Na, К, Pb, Cs) поверхности Ферми - почти идеальные сферы. Это не означает, что электроны этих металлов не испытывают влияния ионов. Их эффективные массы 3023-4.jpgотличаются от массы свободного электрона т0 (табл. 4), напр, у3023-5.jpg

3023-6.jpg . У всех M., кроме перечисленных, а также у Au, Ag, Cu поверхности Ферми состоят из неск. полостей-листов и имеют сложную форму (рис. 2).

Из-за столкновений электронов с дефектами решётки, друг с другом, а также с фононами состояние электрона проводимости имеет конечное время жизни 3023-7.jpg Это означает, что мнимая часть функции 3023-8.jpg отлична от 0: 3023-9.jpg . Это не лишает поверхность

3023-10.jpg
a


3023-11.jpg

Рис. 2. Поверхности Ферми W (ОЦК, a), Gd (гексагональная решётка, б).


Ферми3023-12.jpg строго определённого смысла, т. к. 3023-13.jpg обязанная неупругим столкновениям (электронов с фононами или друг о другом), для электронов на поверхности Ферми равна О. Упругие столкновения со статич. дефектами приводят к "перемещению" электронов по поверхности Ферми. Если время жизни (т) электрона мало (много дефектов, высокая темп-pa), то строгое описание его движения с помощью закона дисперсии теряет смысл. При этом лишается смысла и т. н. тонкая структура поверхности Ферми (отклонение от сферичности), хотя подвижность электрона сохраняется - электроны проводимости остаются делокализован-ными (их длина пробега существенно превышает межатомное расстояние). Приближённое описание электронов в таких условиях возможно лишь с помощью модели Друде - Лоренца - Зоммерфельда.

Нек-рые свойства M. (гл. обр. в сильном магн. поле) очень чувствительны к форме поверхности Ферми (де Хааза - вот Альфена эффект, Циклотронный резонанс, геом. резонанс и др.). Они позволили восстановить поверхность Ферми практически для всех моноатомных M. и MH. интерметаллич. соединений (AuAl2, AuGa2, CuZn, AuTe2I и др.). а также в большом числе случаев определить скорости фермиевских электронов Vp (щелочные, благородные M., Bi, Sb и др.).

Методы зонной теории (с использованием ЭВМ) позволили определить законы дисперсии с большой точностью. Все вычислит, методы основаны на приближении почти свободных электронов (модель Гаррисона, или метод псевдопотенциала) и (или) на т. н. приближении сильной связи. Они дают возможность выяснить происхождение отд. характерных деталей электронного спектра M.: наличие или отсутствие тех или др. листов поверхности Ферми, величину и зависимость плотности состояний от энергии 3023-14.jpg (рис. 3); значение скоростей электронов, а также величину эфф. потенциала (или псевдопотенциала), определяющего электронный энергетич. спектр конкретного M.

3023-15.jpg


При всей сложности законов дисперсии представление об электронах M. как лёгких (по сравнению с ионами) заряженных частицах качественно правильно. Оно, возвращая нас к модели Друде - Лоренца - Зоммер-фельда, даёт возможность оценивать порядок величины осн. характеристик M.- электронную теплоёмкость, эл.- и теплопроводность, толщину скин-слоя (см. Скин-эффект)и т. д. Правда, нек-рые соединения (CeAl3, CeCu6, CeCu2Si2, UB13 и др.) обнаруживают необычные свойства (напр., гигантскую электронную теплоёмкость), заставляющие сделать вывод, что в них есть электроны, обладающие аномально большой эфф. массой т3023-16.jpgЭти электроны получили назв. тяжёлых фермионов.

При3023-17.jpgвсе электроны проводимости находятся на и внутри поверхности Ферми. Элементарные возбуждения электронной подсистемы M.- электроны с энергией3023-18.jpg и дырки - свободные состояния с энергией3023-19.jpgT. к. обычно3023-20.jpg,то осн. роль в процессах переноса играют электроны и дырки с энергиями3023-21.jpgИх закон дисперсии можно считать линейным:

3023-22.jpg

(up - скорость на поверхности Ферми). Энергию электрона3023-23.jpgи дырки принято отсчитывать от3023-24.jpg (скорость дырки -3023-25.jpg). Спектр электронов и дырок демонстрирует наличие разрешённых значений энергии над поверхностью Ферми (рис. 4, а).

При фазовом переходе электронный спектр M. (в частности, поверхность Ферми) изменяется. Если это переход 1-го рода, то новая поверхность не связана со старой. Если же это переход 2-го рода, то обе поверхности Ферми в момент перехода совпадают и можно проследить, как трансформируется поверхность. На рис. 5 показано снятие вырождения по спину и изменение поверхности Ферми при переходе M. из парамагн. состояния в ферромагнитное (поверхность Ферми - сфера). При переходе M. в сверхпроводящее состояние в спектре электронов возникает щель3023-29.jpg- область запрещённых значений энергии (рис. 4, б), к-рая обеспечивает недиссипативный характер сверхпроводящего тока (см. Сверхпроводимость ).Внеш. воздействие на M. (напр., давление) может привести к изменению связности поверхности Ферми: либо образуется новый лист, либо рвётся перемычка между листами. Это сопровождается аномалиями электронных характеристик. При 3023-30.jpg такой переход следует считать фазовым переходом 3023-31.jpg -го рода (см. Ван Хова особенности). Нек-рые фазовые переходы в M. связаны с межэлектронными взаимодействиями, к-рые приводят к возникновению волн зарядовой плотности или волн спиновой плотности, а также к вигнеровской кристаллизации.


3023-26.jpg

Рис. 4. Спектр электронных возбуждений3023-27.jpga - в нормальном металле; б - в сверхпроводнике.

3023-28.jpg

Рис. 5. Изменение спектра электронов (а) и трансформация поверхности Ферми (б) при переходе металла в ферромагнитное состояние.

Исследования поверхности твёрдых тел привели к понятию двумерного электронного газа - искусств, двумерного M., обладающего рядом особенностей; напр., поверхность Ферми двумерного M.- линия, и все особенности, обусловленные её изменением в двумерном M., выражены отчётливее, чем в трёхмерном.

При достаточно высоких давлениях, когда объём, приходящийся на 1 атом, становится меньше обычных атомных размеров, атомы теряют свою индивидуальность и любое вещество превращается в сильно сжатую электронно-ядерную плазму, т. е. в своеобразный M. Металлизация любого вещества происходит при плотности3023-32.jpgгде Z - ат. номер вещества. При таких плотностях большинство свойств вещества определяется вырожденным электронным газом.

Электрические свойства. Характерное свойство M. как проводников электрич. тока в нормальном (несверхпроводящем) состоянии - линейная зависимость между плотностью тока j и напряжённостью приложенного эле-ктрич. поля E (Ома закон):

3023-33.jpg

Тензор уд. электропроводности sik (или тензор сопротивления rik) - важнейшая характеристика M. Число независимых компонент тензора sik (или rik), а значит и тип анизотропии сопротивления, зависит от симметрии кристалла. Для кубич. кристаллов и нетекстуриров. поликристаллов тензор превращается в скаляр (табл.2).

Носители заряда в M.- электроны проводимости с энергией, близкой к3023-34.jpgПричиной сопротивления служит рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллич. решётки. Это тепловые колебания ионов (фононы), сами электроны (см. Межэлектронное рассеяние ),а также разл. дефекты - примесные атомы, вакансии (сечение рассеяния 10-16-10-15 см-2), дислокации, (сечение 10-8-10-7 см-1), границы кристаллов и образца (см. Рассеяние носителей заряда).

Мерой проводимости служит длина свободного пробега (l) электронов:

3023-35.jpg


где3023-36.jpg- площадь поверхности Ферми. Для сферич. поверхности Ферми

3023-37.jpg

(vF - скорость фермиевских электронов). При T = 3023-38.jpg см, с понижением T пробег l растёт, достигая (для специально очищенных образцов) 0,1-1 см. Соответственно возрастает проводимость. Отношение проводимости при T = 0K (s0) к проводимости при 300 К (s300) характеризует совершенство и хим. чистоту M. Достигнутые значения 3023-39.jpg


3023-40.jpg


3023-41.jpg


Отсутствие корреляции между разл. механизмами рассеяния приводит к приближённому соотношению 3023-42.jpg где 3023-43.jpg- длина свободного пробега относительно определённого механизма рассеяния. Этим объясняется эмпирич. Маттиссена правило ,согласно к-рому сопротивление конкретного образца M. есть сумма остаточного сопротивления р0, обусловленного рассеянием на дефектах решётки (совпадает с r при T = 0 K), и сопротивления идеального кристалла РИД, обязанного рассеянию на фононах и др. квазичастицах. Гл. причина температурной зависимости - рассеяние электронов на фононах. При 3023-44.jpg 3023-45.jpg- Девая температура)3023-46.jpgпричём типичное значение3023-47.jpgпри T = 300 К равно 3023-48.jpg При 3023-49.jpg фононная часть быстро стремится к О, что позволяет в ряде случаев выделить в зависимости rид(Т)вклад рассеяния на электронах, к-рый пропорц, 3023-50.jpg(рис. 6).

Сопротивление сплавов и M. типа керамик значительно выше, чем у чистых M. Причина этого в нарушении идеальности решётки (разл. атомы в узлах решётки) и в её дефектности. Предельное уд. сопротивление M., достигаемое при Рис. в. Зависимость удельного сопротивления r от T. Точки - измеренные значения за вычетом остаточного сопротивления 8,8*10-10 Ом*см; сплошная линия - зависимость вида АТ 2 + BT 5, представляет сумму электрон-электронного и электрон-фононного вкладов.


3023-51.jpg

3023-52.jpg равно 3023-53.jpg (в трёхмерном случае) и 3023-54.jpg (в двумерном). В веществах с большим r возникает локализация электронных состояний - проводимость исчезает (см. Андерсоновская локализация ).При этом исчезновение проводимости происходит не за счёт "связывания" электронов ионами - электроны остаются коллективизированными (в том смысле, что их волновая функция "размазана" на расстояния, много большие атомных).

При плавлении подвижные электроны в M. сохраняются, поэтому сохраняется большая электропроводность, хотя разрушение дальнего порядка приводит к скачкообразному росту r (табл. 5; см. также Жидкие металлы). Исключение составляют Sb, Ga, Bi, у к-рых при плавлении r уменьшается (для этих M. плавление сопровождается увеличением плотности).


Табл. 5.- Отношение удельных сопротивлений в твёрдой (rт) и жидкой (rж) фазах при температуре плавления


3023-55.jpg


Большинство M. при3023-56.jpgК теряют сопротивление - переходят в сверхпроводящее состояние. Для таких M. зависимость r(Т)при3023-57.jpgопределяют, разрушив сверхпроводящее состояние магн. полем 3023-58.jpg(см. Сверхпроводимость).

Теплоёмкость. Существование в M. вырожденного электронного газа большой плотности приводит к линейной зависимости теплоёмкости M. от Г при низкой температуре (рис. 7). Вклад электронов в теплоёмкость M.


3023-59.jpg


где gF - суммарная (по всем частично заполненным зонам) плотность электронных состояний при 3023-60.jpg Измерение Cэ - один из осн. методов определения 3023-61.jpg (табл. 6).


Рис. 7. Низкотемпературная теплоёмкость нормального (Сн) и сверхпроводящего (Ссв) Al (при T < Tc значения Сн измерены на образцах, в которых сверхпроводимость была разрушена магнитным полем).


3023-62.jpg


Табл. 6. - Значения постоянной а, определённые по электронной теплоёмкости C3


3023-63.jpg


Электроны проводимости вносят линейный по T вклад не только в теплоёмкость M., но и в его коэф. теплового расширения. Из-за этого в M. нарушается Грюнайзена закон: при низких температурах3023-64.jpg константа в законе Грюнайзена определяется электронной подсистемой, а при высоких3023-65.jpg- фононной (колебаниями решетки).


Теплопроводность, термоэлектрические явления. Электроны проводимости принимают участие не только в переносе электрич. заряда, но и в переносе тепла. Вследствие большой подвижности электронов теплопроводность M. велика. Величины электропроводности и электронной части теплопроводности M. l связаны соотношением (Видемана - Франца закон):


3023-66.jpg


Оно выполняется тем лучше, чем строже столкновения электронов можно считать упругими (при3023-67.jpg а также и при T = 0 K, когда осн. причина сопротивления - столкновения с дефектами кристалла). При наличии градиента температуры3023-68.jpg в M. возникает электрич. ток, или связанная с3023-69.jpg разность потенциалов (термоэдс ).Из-за вырождения электронного газа коэф., описывающие термоэдс и др. термоэлектрич. эффекты, малы, однако их исследование позволяет обнаружить увлечение электронов тепловыми фононами. Взаимодействия внеш. возбуждённых в M. акустич. волн с электронами проводимости приводят к возникновению тока либо разности потенциалов, пропорц. интенсивности потока фононов (см. Акустоэлектрический эффект ).Теплопроводность сплавов ниже теплопроводности чистых M.

Диамагнетизм и парамагнетизм M. Электроны проводимости обладают как парамагнитными (из-за наличия у каждого электрона собств. магн. момента), так и диамат, свойствами, обязанными квантованию движения электронов в плоскости, перпендикулярной магн. полю (см. Диамагнетизм ).В теории Друде - Лоренца - Зоммерфельда (с эфф. массой т электрона вместо т0) магнитная восприимчивость электронного газа равна:


3023-70.jpg


(mБ - магнетон Бора). Из ф-лы (3) видно, что электронный газ в зависимости от соотношения между т и та может быть как диамагнитным, так и парамагнитным. Более строгое рассмотрение не изменяет этого вывода и оценки3023-71.jpgпо порядку величины, табл. 7.

Табл. 7.- Магнитная восприимчивость c поликристаллических металлов при T = 300 К


3023-72.jpg


В магн. восприимчивость M. вносят вклад и ионы: у непереходных M. ионы диамагнитны, а у переходных, как правило, парамагнитны (см. Магнетизм ).Из-за вырождения электронного газа3023-73.jpgпарамагн. восприимчивость электронного газа слабо зависит от T (см. Паули парамагнетизм ).В сильном магн. поле 3023-74.jpg3023-75.jpg металлич. монокристаллов осциллирует как функция 1/H с частотами, пропорц. площадям экстремальных сечений поверхности Ферми (эффект де Хааза - ван Альфена, см. Квантовые осцилляции в магнитном поле).

Нек-рые M. при понижении T переходят в магнито-упорядоченное состояние: в ферромагнитное (напр., Fe, Со, Ni), в антиферромагнитное (Ce, Mn) или в состояние с геликоидальной магнитной атомной структурой (напр., Cr, табл. 1). При этом электроны проводимости играют существ, роль в формировании магн. структур (см. Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм). Упорядочение магн. моментов при понижении температуры - необязат. свойство осн. состояния M.; большинство непереходных металлов остаются парамагнетиками или диамагнетиками вплоть до T = 0 K.

Переход кристаллич. M. в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его магн. свойств: в сверхпроводящем состоянии M. в слабых нолях проявляет себя как диамагнетик. Из-за Мейснера эффекта ср. значение магн. поля в сверхпроводнике равно 0. В сверхпроводниках 1-го рода (Sn, Pb, In и др.) это выполняется вплоть до полей, разрушающих сверхпроводимость. В сверхпроводниках 2-го рода (Nb3Sn, NbTi и др.) в широком диапазоне H поле, не разрушая сверхпроводимости, проникает в объём в виде вихрей, что эффективно ослабляет диамагнетизм.

Эмиссия электронов. При нагревании M. до высоких температур наблюдается "испарение" электронов с поверхности M. (см. Термоэлектронная эмиссия ).Число электронов, вылетающих из M. в единицу времени, пропорц. ехр (-W/kT), где W - работа выхода электрона из M. Величина W (2-5 эВ) у разл. M. (и даже на разных кристаллич. гранях одного M.) различна; W зависит от состояния поверхности. Приложив к M. сильное электрич. поле (~107 В/см), можно существенно увеличить эмиссию электронов за счёт того, что электроны покидают M. в результате туннельного прохождения (см. Автоэлектронная эмиссия ).Различия в W обусловливают контактную разность потенциалов между разными M.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления. Магн. поле3023-76.jpgискривляя траекторию электронов в плоскости, перпендикулярной 3023-77.jpg влияет на все кинетич. коэф. (эл.- и теплопроводностей, термоэлектрические и др.) и приводит к ряду новых явлений: к Холла эффекту, маг-нетосопротивлению и др. Различают классич. и квантовые (осцилляционные) гальванотермомагнитные явления. При рассмотрении последних надо учитывать квантование движения электронов проводимости в плоскости, перпендикулярной3023-78.jpgДля оценки классич. эффектов надо сравнивать ср. радиус орбиты электрона в магн. поле 3023-79.jpg с длиной пробега l, а для оценки квантовых - расстояние между уровнями энергии3023-80.jpg с kT 3023-81.jpg- циклотронная частота, т - эфф. масса в магн. поле; табл. 4). На зависимость кинетич. коэф. от 3023-82.jpg влияют особенности электронного энергетич. спектра M., в частности то, какой формой (топологией) обладает поверхность Ферми (см. Галъвано.чагнитные явления, Термогалъваномаг-нитные явления). Даже не слишком большое магн. поле при низких темп-pax (~1 К) может изменить кинетич. свойства M., напр, в десятки тысяч раз увеличить поперечное (относительно H)сопротивление (Bi) или практически полностью "выключить" поперечную электронную теплопроводность M. (таким путём "выделяют" решёточную- фононную часть теплопроводности M.).

M. в переменном электромагнитном поле. При прохождении переменного тока частоты w в M. наблюдается неоднородное распределение тока по образцу: ток сосредоточен вблизи поверхности образца на расстоянии порядка3023-83.jpg(см. Скин-эффект ).Для Cu глу-

бина скин-слоя3023-84.jpgсм при3023-85.jpg

3023-86.jpg (см. Высокочастотная проводимость).


При падении эл--магн. волны на поверхность M. скин-эффект проявляется как в том, что эл--магн. поле затухает на глубине3023-87.jpgтак и в том, что оно почти полностью отражается от поверхности M.: коэф. отражения

3023-88.jpg


Приведённые оценки справедливы в случае нормального скин-эффекта, когда3023-89.jpgПри T = 300 К эти условия выполняются вплоть до оптич. частот

3023-90.jpg см при3023-91.jpg

При низких темп-pax и для чистых образцов M. условие l << d часто не выполняется (даже если3023-92.jpg). При этом имеет место аномальный скин-эффект, при к-ром d и R не зависят от l, и тем самым от T.

При низкой температуре M., помещённый в достаточно сильное магн. поле3023-93.jpg, обладает MH. свойствами, характерными для плазмы: в нём могут распространяться разнообразные слабозатухающие волны (геликоны, магнитоплазменные волны, допплероны и др.). Коэф. R "ощущает" циклотронный резонанс (при равенстве частоты поля3023-94.jpgцелому кратному циклотронной частоты 3023-95.jpg (см. Плазма твёрдых тел). В нек-рых M. (напр., в щелочных) удаётся наблюдать электронный парамагнитный резонанс на электронах проводимости и спиновые волны.

Оптические свойства. Для эл--магн. волн оптич. диапазона M., как правило, непрозрачны. Характерный блеск - следствие практически полного отражения света поверхностью M., обусловленного тем, что диэлектрическая проницаемость электронного газа e при оптич. частотах отрицательна. Диэлектрич. проницаемость M. 3023-96.jpg где3023-97.jpg- диэлектрич. проницаемость ионного остова,3023-98.jpg- плазменная (ленгмюровская) частота электронов. Плазменные частоты могут быть экспериментально определены по характеристич. потерям энергии быстрых электронов (с энергией3023-99.jpgпри прохождении через металлич. плёнку. Они теряют энергию на возбуждение плазмонов - квантов колебаний электронной жидкости с частотой3023-100.jpg(табл. 8).


Табл. 8.- Энергия плазмона3023-101.jpgдля некоторых металлов


3023-102.jpg


Наличием электронов проводимости обусловлено также экранирование в M. зарядов (напр., заряженных примесей) на характерном расстоянии3023-103.jpg (Дебая - Хюккеля радиус), имеющем атомный масштаб. При взаимодействии света с электронами M. важную роль играет т. н. внутр. фотоэффект, т. е. вынужденные (за счёт поглощения фотонов) переходы электронов из зоны в зону. Как правило, именно внутр. фотоэффект определяет коэф. поглощения излучения видимого и УФ-диапазонов и изменение проводимости M. под воздействием света (см. Фотопроводимость). Чем выше3023-104.jpgтем меньшую роль во взаимодействии света с M. играют электроны проводимости: для УФ- и рентг. диапазонов M. мало отличается от диэлектрика. Отражение плоскополяризов. света от поверхности M. сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптич. поляризации. Это явление используется для техн. целей и для определения оптич. констант M. (см. Металлооптика, Отражение света, Поляризация света).

Лит.: Крэкнелл А.,Квей Чонг Уонг, Поверхность Ферми, пер. с англ., M., 1978; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, M., 1987.

M. И. Каганов, В. С. Эдельман.

Механические свойства. Многие M. и сплавы обладают одновременно высокой механич. прочностью и высокой пластичностью, что обусловливает их широкое применение в качестве конструкц. материалов. Изменение линейных размеров M. в результате пластич. деформации при T = 300 К достигает десятков, а иногда сотен % (сверхпластичность).

Механич. свойства исследуют, измеряя зависимость механич. напряжение - деформация (рис. 8). Изменение формы образца в процессе деформации показано для трёх характерных участков диаграммы. Участок OA соответствует прямой пропорциональности между нагрузкой и удлинением и обратимости деформации (упругая область; см. Гука закон ).На нелинейном участке AB нагрузка продолжает увеличиваться с меньшей скоростью, деформация необратима, но распределена равномерно по длине образца. На участке BC нагрузка уменьшается вследствие локального уменьшения поперечного сечения образца в его центр, части. Образование "шейки" характерно для пластичных M. В конце этого участка наступает разрушение (точка С).


3023-105.jpg


Сопротивление M. воздействию внеш. механич. сил описывается модулями упругости. Характерный порядок их величины для M.3023-106.jpg(1011 Н/м2), различные компоненты тензора модулей упругости одного M. отличаются в неск. раз, а у разных M. могут отличаться в десятки раз. Поликристаллы при отсутствии текстуры в упругом отношении изотропны, и для описания их механич. свойств достаточно двух модулей, напр, модуля Юнга E и модуля сдвига G (табл. 9).

Табл. 9.- Модули упругости E и модули сдвига G (в Н/м2) для металлических монокристаллов и поликристаллов

3023-107.jpg

Величина упругих модулей определяется межатомными взаимодействиями и потому коррелирует с энергией связи U, необходимой для разделения твёрдого тела на отд. нейтральные атомы при T = OK. Так, у VV энергия связи на 1 атом равна3023-108.jpg

у Cs энергия связи3023-109.jpg(у Cs - наименьший среди M. модуль сдвига). При увеличении температуры T модули упругости монотонно убывают, изменение модуля в интервале от 0 К до Тпл составляет ок. 50% исходного значения. В области упругого поведения в M. возможно проявление внутреннего трения. M. с низким уровнем внутр. трения, слабо рассеивающие энергию колебаний, используются при изготовлении акустич. резонаторов музыкальных инструментов.

Пластич. деформация M. осуществляется относит, сдвигом (скольжением) параллельных атомных плоскостей и двойникованием (см. Пластичность ).Предел текучести в монокристаллах анизотропен и зависит от плоскости и направления, вдоль к-рых происходит скольжение. Совокупность плоскости и направления скольжения образует систему скольжения. В каждом кристалле существует система скольжения, в к-рой критич. величина внеш. напряжения для начала скольжения минимальна (напряжение лёгкого скольжения 3023-110.jpg табл. 10).


Табл. 10.- Напряжение лёгкого скольжения при 300 К


3023-111.jpg


В случае механич. двойникования происходит сдвиг области кристалла в положение, зеркальное относительно области, не испытавшей сдвиг. Механич. напряжение, необходимое для возникновения двойника, больше, чем для обычного скольжения. Время образования двойника составляет неск. мкс.

Теоретически сопротивление M. пластич. деформации и разрушению составляет 3023-112.jpg Экспериментально пластич. деформации и разрушение наблюдаются при напряжениях3023-113.jpgЭто различие обусловлено существованием дислокаций. Движение дислокаций вдоль определ. плоскостей в кристалле обеспечивает сдвиг одной части кристалла относительно другой. Сопротивление решётки движению дислокаций (сила Пайерлса - Набарро) составляет 3023-114.jpg Силы Пайерлса - Набарро в M. с чисто металлич. связью малы, т. к. эта связь не является направленной и слабо меняется при изменении атомной конфигурации вблизи дислокации. В M. с компонентой ковалентной связи, имеющих объёмноцентриров. решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами (отсюда высокая пластичность).


Прочность и пластичность M. обусловлены также взаимодействием дислокаций между собой и с др. дефектами, примесями и их скоплениями, границами раздела фаз, включениями др. фаз. Величина этих взаимодействий пропорциональна G. В процессе развития пластич. деформации происходит "размножение" дислокации, к-рое приводит к затруднению их движения, т. е. к увеличению сопротивления металла пластич. деформации (деформационное упрочнение, или наклёп). Сопротивление M. пластич. деформации возрастает с увеличением степени деформации как 3023-115.jpg где3023-116.jpg- плотность дислокаций. В отожжённых (недеформированных) металлич. кристаллах плотность дислокаций3023-117.jpg, сильная пластич. деформация приводит к её увеличению до 1011-1012 см-2.

При3023-118.jpgв пластич. деформации начинают играть существ, роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, к-рые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: M. "течёт" с пост, скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть). Релаксация напряжений и разрядка дислокац. структуры обеспечивают высокую пластичность M. при их горячей обработке. Отжиг сильно деформиров. металлич. монокристаллов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен.

При увеличении плотности дислокаций образуются их скопления, являющиеся концентраторами внутр. напряжений. Вследствие этого в области скопления дислокаций могут образоваться микротрещины, рост к-рых приводит к разрушению. В отличие от др. твёрдых тел в M. достаточные для образования трещин внутр. напряжения развиваются при больших степенях пластич. деформации. В M. до разрушения в большинстве случаев происходит заметное развитие пластич. деформации, приводящее к ослаблению концентрации напряжений и торможению роста трещины (вязкое разрушение). Если движение дислокаций вблизи вершины трещины затруднено, концентрация напряжений ослабляется незначительно, происходит хрупкое разрушение.

Механич. характеристики M. можно изменять в широких пределах термич. и механич. обработкой, а также введением примесей (легированием). Улучшение механич. свойств M. основано на изменении условий движения, размножения и торможения дислокаций. В качестве материалов для изготовления конструкций чистые M. непригодны из-за их малой прочности. Напр., предел прочности Fe (техн. чистоты)3023-119.jpg 0,35 ГПа, тогда как высокопрочные легиров. стали (сплавы Fe с С и др. M.) имеют предел прочности от 1,5 до 4,5 ГПа (см. Механические свойства материалов).

Литература по металлам

  1. Бернштейн M. Л., Займовский В. А., Механические свойства металлов, 2 изд., M., 1979;
  2. Физическое металловедение, под ред. P. Кана, П. Хаазена, пер. с англ., 3 изд., т. 3, M., 1987.

В. С. Крапошин

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution