A szilárd test az anyag négy alapvető halmazállapotának egyike, amely alakja stabilitásában és az egyensúlyi helyzetek körül kis rezgést okozó atomok hőmozgásának természetében különbözik a többi halmazállapottól ( folyadékok , gázok , plazmák ) . 1] .
Különbséget kell tenni kristályos és amorf szilárd anyagok között. A fizika azon ágát , amely a szilárd testek összetételét és belső szerkezetét vizsgálja, szilárdtestfizikának nevezzük . Azt, hogy egy merev test hogyan változtatja alakját ütközés és mozgás hatására, egy külön tudományág – a szilárd (deformálható) testmechanika – vizsgálja . Az abszolút merev test mozgásával a harmadik tudomány – a merev test kinematikája – foglalkozik .
Az ember által készített műszaki eszközök a szilárd test különféle tulajdonságait használják fel. Korábban szilárd testet használtak szerkezeti anyagként, és a felhasználás olyan közvetlenül kézzelfogható mechanikai tulajdonságokon alapult, mint a keménység , tömeg , plaszticitás , rugalmasság , ridegség . A modern világban a szilárd test használata olyan fizikai tulajdonságokon is alapul, amelyek gyakran csak laboratóriumi vizsgálatokban találhatók meg.
A szilárd anyagok lehetnek kristályos és amorf állapotúak. A kristályokra jellemző a térbeli periodicitás az atomok egyensúlyi helyzetének elrendezésében [1] , amely egy nagy hatótávolságú rend [2] jelenlétével érhető el, és ezt kristályrácsnak nevezik . A kristályok természetes formája a szabályos poliéder [3] . Az amorf testekben az atomok véletlenszerűen elhelyezkedő pontok körül rezegnek [1] , hiányzik belőlük a nagy hatótávolságú rend, de megmarad a rövid hatótávolságú rend , amelyben a molekulák koordináltan, méretükhöz mérhető távolságra helyezkednek el. Az amorf állapot speciális esete az üveges állapot [2] . A klasszikus elképzelések szerint a szilárd test stabil állapota (minimális potenciális energiával ) kristályos. Az amorf test metastabil állapotban van, és idővel kristályos állapotba kell mennie, de a kristályosodási idő gyakran olyan hosszú, hogy a metastabilitás egyáltalán nem nyilvánul meg. Az amorf test nagyon magas (gyakran végtelenül magas) viszkozitású folyadéknak tekinthető [2] .
A szilárd test tulajdonságait és a benne lévő részecskék mozgását a fizika része tanulmányozza , amelyet szilárdtestfizikának ( a kondenzált anyag fizika egyik alszaka ) neveznek. A szilárdtestfizika egy önálló tudományos tudományág, amely sajátos kutatási módszerekkel és matematikai apparátussal rendelkezik. Kialakítását a gyakorlati igények diktálják [2] . A vizsgálat tárgyától függően a szilárdtestfizika fémek , félvezetők , mágnesek és mások fizikájára oszlik . A kutatási módszerek szerint megkülönböztetik a röntgenszerkezeti elemzést , a rádióspektroszkópiát és hasonlókat. Ezenkívül bizonyos tulajdonságok (mechanikai, termikus és így tovább) tanulmányozásával kapcsolatos felosztás [1] [2] .
Az anyagtudomány elsősorban a szilárd anyagok tulajdonságaival kapcsolatos kérdésekkel foglalkozik, mint például a keménység , a szakítószilárdság , az anyag terhelésekkel szembeni ellenállása, valamint a fázisátalakítások . Ez nagyrészt egybeesik a szilárdtestfizika által vizsgált kérdésekkel. A szilárdtest-kémia mindkét tudományág által vizsgált kérdéseket fedi le, de különösen érinti az új anyagok szintetizálásának kérdéseit.
A szilárd anyagok elektromos és néhány egyéb tulajdonságait főként atomjaik külső elektronjainak mozgásának természete határozza meg [1] . Az atomok közötti kötés típusától függően a szilárd anyagoknak öt osztálya van [2] :
A sávszerkezet típusa szerint a szilárd anyagokat vezetőkre , félvezetőkre és dielektrikumokra osztják .
A mágneses tulajdonságok alapján a szilárd testeket diamágnesekre , paramágnesekre és rendezett mágneses szerkezetű testekre osztják [1] . Az aggregáció állapotától vagy a hőmérséklettől gyengén függő diamágneses tulajdonságok általában átfedik a paramágneses tulajdonságokat, amelyek az atomok és a vezetési elektronok mágneses momentumainak orientációjának következményei. A Curie-törvény szerint a paramágneses szuszceptibilitás a hőmérséklettel fordítottan csökken, és 300 K hőmérsékleten általában 10 -5 . A paramágnesek a hőmérséklet csökkenésével ferromágnesekké , antiferromágnesekké vagy ferrimágnesekké alakulnak [2] .
Annak ellenére, hogy a szilárd anyagokat (fémeket, ásványokat) régóta vizsgálják, a tulajdonságaikról szóló információk átfogó vizsgálata és rendszerezése a XVII. Azóta számos empirikus törvényt fedeztek fel , amelyek leírják a mechanikai erők szilárd testre gyakorolt hatását, a hőmérséklet, a fény, az elektromágneses mezők stb. változásait. A következőket fogalmazták meg:
Már a 19. század első felében megfogalmazódtak a rugalmasság elméletének főbb rendelkezései, amelyet a szilárd test, mint folytonos közeg gondolata jellemez .
A szilárd testek kristályszerkezetének, mint atomok gyűjteményének holisztikus nézetét, amelynek a térben rendezett elhelyezkedését a kölcsönhatási erők biztosítják, Auguste Bravais alakította ki 1848-ban, bár az első ilyen jellegű gondolatok a Nicholas Steno (1669), Rene Just Gayuy (1784), Isaac Newton értekezései " Mathematical Principles of Natural Philosophy " (1686), amelyben kiszámították a hangsebességet rugalmasan kötött részecskék láncában, Daniel Bernoulli ( 1727), Augustin Louis Cauchy (1830) és mások.
Amikor a hőmérséklet emelkedik, a szilárd anyagok folyékony vagy gáz halmazállapotúvá válnak. A szilárd anyag folyadékká való átalakulását olvadásnak , a folyadékot megkerülő gáz halmazállapotú állapotba való átmenetet szublimációnak nevezzük . A szilárd testté való átmenet (a hőmérséklet csökkenésével) kristályosodás , amorf fázisba - üvegesedés .
A szilárd fázisok között is vannak fázisátalakulások, amelyek során a szilárd anyagok belső szerkezete megváltozik, a hőmérséklet csökkenésével rendezettté válik.
T > 0 K légköri nyomáson és hőmérsékleten a természetben lévő összes anyag megszilárdul . Ez alól kivétel a hélium , melynek kristályosodásához 24 atm nyomás szükséges [2] .
A szilárd testek fizikai tulajdonságai alatt bizonyos erők és mezők hatása alatti sajátos viselkedésüket értjük. A szilárd anyagok befolyásolásának három fő módja van, amelyek megfelelnek az energia három fő típusának: mechanikai , termikus és elektromágneses . Ennek megfelelően a fizikai tulajdonságoknak három fő csoportja van.
A mechanikai tulajdonságok összekapcsolják a test mechanikai feszültségeit és deformációit, P. A. Rebinder akadémikus iskolája által a szilárd anyagok mechanikai és reológiai tulajdonságaira vonatkozó kiterjedt tanulmányok eredményei szerint rugalmas, szilárdsági, reológiai és technológiai csoportokra oszthatók. Ezen túlmenően, amikor folyadékok vagy gázok hatnak a szilárd anyagokra, azok hidraulikus és gázdinamikus tulajdonságai megjelennek.
A termikus tulajdonságok olyan tulajdonságok, amelyeket a termikus mezők befolyásolnak. A sugárzási tulajdonságok, amelyek akkor jelentkeznek, amikor egy szilárd testet mikrorészecskék áramlásának vagy jelentős merevségű elektromágneses hullámoknak (röntgen, gamma-sugárzás) érnek, feltételesen az elektromágneses tulajdonságoknak tulajdoníthatók.
A legkönnyebb ismert szilárd anyag az aerogél . Egyes típusú aerogélek sűrűsége 1,9 mg /cm³ vagy 1,9 kg /m³ (a víz sűrűségének 1/530-a).
Nyugalomban a szilárd anyagok megtartják alakjukat, de külső erők hatására deformálódnak. Az alkalmazott erő nagyságától függően az alakváltozás lehet rugalmas, képlékeny vagy roncsoló. Rugalmas deformáció esetén a test az alkalmazott erők eltávolítása után visszanyeri eredeti alakját. A szilárd test reakcióját az alkalmazott erőre a rugalmassági modulusok írják le . A szilárd anyagok megkülönböztető jellemzője a folyadékokhoz és gázokhoz képest, hogy nemcsak a feszültségnek és a nyomásnak, hanem a nyírásnak , hajlításnak és csavarodásnak is ellenáll .
A képlékeny deformáció során a kezdeti forma nem őrződik meg. Az alakváltozás jellege attól is függ, hogy mennyi idő alatt hat a külső erő. A szilárd test rugalmasan deformálódhat azonnali hatás hatására, de plasztikusan, ha külső erők hosszú ideig hatnak. Ezt a viselkedést kúszásnak nevezik . A deformáció egyik jellemzője a test keménysége - az a képesség, hogy ellenálljon más testek behatolásának.
Minden szilárd testnek megvan a saját deformációs küszöbe , amely után a pusztulás következik be. A szilárd testnek a pusztulásnak ellenálló tulajdonságát az erő jellemzi . Töréskor repedések jelennek meg, és szilárd testben terjednek , ami végül töréshez vezet.
A szilárd anyag mechanikai tulajdonságai közé tartozik a hangvezetési képessége is , amely egy olyan hullám, amely a helyi deformációt egyik helyről a másikra viszi át. A folyadékoktól és gázoktól eltérően a szilárd testben nemcsak hosszanti hanghullámok, hanem keresztirányú hanghullámok is terjedhetnek, ami a szilárd test nyírási deformációval szembeni ellenállásával jár. A hangsebesség szilárd anyagokban általában nagyobb, mint gázokban, különösen levegőben, mivel az atomok közötti kölcsönhatás sokkal erősebb. A kristályos szilárd anyagok hangsebességét anizotrópia jellemzi , vagyis a terjedés irányától való függés.
A szilárd anyag legfontosabb termikus tulajdonsága az olvadáspontja , az a hőmérséklet, amelyen a folyékony halmazállapotba való átmenet megtörténik. Az olvadás másik fontos jellemzője az olvadás látens hője . A kristályoktól eltérően az amorf szilárd anyagokban a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan megy végbe a folyékony állapotba való átmenet. Jellemzője az üvegesedési hőmérséklet - az a hőmérséklet, amely felett az anyag szinte teljesen elveszíti rugalmasságát és nagyon képlékeny lesz.
A hőmérséklet változása a szilárd test deformálódását okozza, főként a hőmérséklet emelkedése táguláshoz vezet. Mennyiségileg a hőtágulási együttható jellemzi . A szilárd anyag hőkapacitása a hőmérséklettől függ, különösen alacsony hőmérsékleten, de szobahőmérsékleten és magasabb hőmérsékleten sok szilárd anyag megközelítőleg állandó hőkapacitású ( Dulong-Petit törvény ). Az átmenet a hőkapacitás stabil hőmérsékletfüggőségére az egyes anyagokra jellemző Debye hőmérsékleten megy végbe . A szilárd anyagok egyéb jellemzői is a hőmérséklettől függenek, különösen a mechanikai jellemzők: plaszticitás, folyékonyság, szilárdság, keménység.
Az ellenállás nagyságától függően a szilárd testeket vezetőkre és dielektrikumokra osztják , amelyek között egy köztes helyzetet félvezetők foglalnak el . A félvezetőknek alacsony az elektromos vezetőképessége, de hajlamosak a hőmérséklettel növekedni. A szilárd testek elektromos tulajdonságai elektronszerkezetükhöz kapcsolódnak. A dielektrikumoknak az elektronok energiaspektrumában van egy rés , amit kristályos szilárd anyagok esetében sávrésnek nevezünk. Ez az energiaértékek tartománya, amellyel a szilárd testben lévő elektronok nem rendelkezhetnek. A dielektrikumban a rés alatti összes elektronállapot ki van töltve, és a Pauli-elvnek köszönhetően az elektronok nem tudnak átjutni egyik állapotból a másikba, ez az oka a vezetőképesség hiányának. A félvezetők vezetőképessége nagymértékben függ a szennyeződésektől - akceptoroktól és donoroktól .
A szilárd anyagok egy bizonyos osztálya ionvezetőképességgel jellemezhető . Ezeket az anyagokat szuperionikának nevezzük . Alapvetően ionos kristályokról van szó , amelyekben az egyik típusú ionok szabadon mozoghatnak a másik típusú ionok rendíthetetlen rácsa között.
Alacsony hőmérsékleten egyes szilárd anyagokat szupravezetés jellemez - ellenállás nélkül képes elektromos áramot vezetni.
A szilárd anyagok egy osztálya spontán polarizációval rendelkezhet – piroelektromos . Ha ez a tulajdonság csak az egyik fázisra jellemző, amely egy bizonyos hőmérsékleti tartományban létezik, akkor az ilyen anyagokat ferroelektromosnak nevezzük . A piezoelektromos elemeket a polarizáció és a mechanikai igénybevétel közötti szoros kapcsolat jellemzi.
A ferromágnesekre jellemző a spontán mágneses momentum .
A szilárd anyagok optikai tulajdonságai nagyon változatosak. A fémek általában nagy fényvisszaverő képességgel rendelkeznek a spektrum látható tartományában, sok dielektrikum átlátszó, például üveg. Egy adott szilárd anyag színe gyakran a fényelnyelő szennyeződéseknek köszönhető. A félvezetők és a dielektrikumok esetében a fotovezetés jellemző - az elektromos vezetőképesség növekedése megvilágított állapotban.
A természetben található szilárd anyagokat a tulajdonságok rendkívül sokfélesége jellemzi, amely folyamatosan növekszik. Az adott tudományhoz rendelt feladatoktól függően a szilárd testnek csak bizonyos tulajdonságai fontosak, mások jelentéktelenek. Például az acél szilárdságának vizsgálatakor annak mágneses tulajdonságainak nincs jelentős jelentősége.
A tanulmányozás megkönnyítése érdekében a valódi testet ideális testre cseréljük, csak a vizsgált eset szempontjából legfontosabb tulajdonságokat emelve ki. Ezt a sok tudomány által használt megközelítést absztrakciónak nevezik . Miután kiemelünk egy idealizált testet a lényeges tulajdonságok bizonyos listájával, egy elmélet épül fel. Egy ilyen elmélet megbízhatósága attól függ, hogy az elfogadott idealizálás mennyire tükrözi sikeresen a tárgy lényeges jellemzőit. Ezt úgy értékelhetjük, hogy az elméletileg idealizált modell alapján és kísérletileg összevetjük az eredményeket.
Az elméleti mechanikában a valódi merev test idealizált sémája egy abszolút merev test, vagyis olyan, amelyben a pontok közötti távolságok bármilyen körülmények között állandóak - sem a test mérete, sem alakja nem változik.
A rugalmasság elméletében és annak alkalmazott szilárdsági alkalmazásában olyan modellek is számításba jönnek, amelyek figyelembe veszik és abszolutizálják a szilárd test egyedi tulajdonságait. Így a homogenitás és a folytonosság feltételeinek elfogadása kis alakváltozásoknál lehetővé teszi a végtelenül kicsi mennyiségek elemzési módszereinek alkalmazását, ami nagyban leegyszerűsíti az anyagok ellenállási elméletének felépítését.
Azt is tartják, hogy a feszültségek és az alakváltozások közötti kapcsolat lineáris (lásd Hooke törvényét ).
A plaszticitás elméletében a szilárd test modelljei az alakváltozási keményedés tulajdonságainak vagy a szilárd testek feszültség-nyúlás állapotú folyékonyságának tulajdonságainak idealizálásán alapulnak .
| Az anyag termodinamikai állapotai | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fázis állapotok |
| ||||||||||||||||
| Fázisátmenetek |
| ||||||||||||||||
| Diszpergált rendszerek |
| ||||||||||||||||
| Lásd még | |||||||||||||||||