Et fast legeme er en af de fire grundlæggende aggregerede tilstande af stof , som adskiller sig fra andre aggregerede tilstande ( væsker , gasser , plasmaer ) i formstabiliteten og arten af den termiske bevægelse af atomer , der laver små vibrationer omkring ligevægtspositioner [ 1] .
Skelne mellem krystallinske og amorfe faste stoffer. Den gren af fysik , der studerer faste stoffers sammensætning og indre struktur, kaldes faststoffysik . Måden en stiv krop ændrer form under stød og bevægelse studeres af en separat disciplin - solid (deformerbar) kropsmekanik . Bevægelsen af et absolut stivt legeme behandles af den tredje videnskab - kinematik af et stivt legeme .
Menneskeskabte tekniske anordninger bruger forskellige egenskaber af en solid krop. Tidligere brugte man et fast legeme som konstruktionsmateriale, og anvendelsen var baseret på direkte håndgribelige mekaniske egenskaber som hårdhed , masse , plasticitet , elasticitet , skørhed . I den moderne verden er brugen af et fast legeme også baseret på fysiske egenskaber, som ofte kun findes i laboratorieundersøgelser.
Faste stoffer kan være i krystallinsk og amorf tilstand. Krystaller er karakteriseret ved rumlig periodicitet i arrangementet af atomernes ligevægtspositioner [1] , hvilket opnås ved tilstedeværelsen af en langrækkende orden [2] og kaldes krystalgitteret . Den naturlige form for krystaller er regulære polyedre [3] . I amorfe legemer vibrerer atomer omkring tilfældigt placerede punkter [1] , de mangler langrækkende orden, men kortrækkende rækkefølge er bevaret , hvor molekylerne er arrangeret koordineret i en afstand, der kan sammenlignes med deres størrelse. Et særligt tilfælde af den amorfe tilstand er den glasagtige tilstand [2] . Ifølge klassiske koncepter er en stabil tilstand (med et minimum af potentiel energi ) af et fast legeme krystallinsk. Et amorft legeme er i en metastabil tilstand og skal over i en krystallinsk tilstand over tid, men krystallisationstiden er ofte så lang, at metastabiliteten slet ikke viser sig. Et amorft legeme kan betragtes som en væske med en meget høj (ofte uendelig høj) viskositet [2] .
Egenskaberne af et fast legeme og bevægelsen af partikler i det studeres i sektionen af fysik , som kaldes faststoffysik (en undersektion af kondenseret stofs fysik ). Faststoffysik er en selvstændig videnskabelig disciplin med specifikke forskningsmetoder og matematiske apparater. Dens udvikling er dikteret af praktiske behov [2] . Afhængigt af studieobjektet er faststoffysik opdelt i fysik af metaller , halvledere , magneter og andre. Ifølge forskningsmetoder skelnes der mellem røntgenstrukturanalyse , radiospektroskopi og lignende. Derudover er der en opdeling forbundet med studiet af visse egenskaber (mekaniske, termiske og så videre) [1] [2] .
Materialevidenskab beskæftiger sig hovedsageligt med spørgsmål relateret til faste stoffers egenskaber, såsom hårdhed , trækstyrke , materialebestandighed over for belastninger samt fasetransformationer . Dette falder stort set sammen med de spørgsmål, som faststoffysikken studerer. Solid State Chemistry dækker de problemstillinger, der overvejes af begge disse vidensgrene, men påvirker især problemerne med at syntetisere nye materialer.
Elektriske og nogle andre egenskaber ved faste stoffer er hovedsageligt bestemt af arten af bevægelsen af de ydre elektroner i dets atomer [1] . Der er fem klasser af faste stoffer afhængigt af typen af binding mellem atomer [2] :
I henhold til typen af båndstruktur klassificeres faste stoffer i ledere , halvledere og dielektriske stoffer .
Ved magnetiske egenskaber opdeles faste stoffer i diamagneter , paramagneter og legemer med en ordnet magnetisk struktur [1] . Diamagnetiske egenskaber, som er svagt afhængige af aggregeringstilstanden eller temperaturen, overlappes normalt af paramagnetiske egenskaber, som er en konsekvens af orienteringen af de magnetiske momenter af atomer og ledningselektroner. Ifølge Curie-loven falder den paramagnetiske modtagelighed omvendt med temperaturen og er ved en temperatur på 300 K normalt 10 −5 . Paramagneter omdannes til ferromagneter , antiferromagneter eller ferrimagneter når temperaturen falder [2] .
På trods af at faste stoffer (metaller, mineraler) er blevet undersøgt i lang tid, begyndte en omfattende undersøgelse og systematisering af information om deres egenskaber i det 17. århundrede. Siden den tid er der blevet opdaget en række empiriske love , der beskriver indflydelsen af mekaniske kræfter på et fast legeme, ændringer i temperatur, lys, elektromagnetiske felter osv. Følgende blev formuleret:
Allerede i første halvdel af det 19. århundrede blev hovedbestemmelserne i elasticitetsteorien formuleret, som er karakteriseret ved ideen om en solid krop som et kontinuerligt medium .
Et holistisk syn på faste stoffers krystalstruktur som en samling af atomer, hvis ordnede placering i rummet sikres af vekselvirkningens kræfter, blev dannet af Auguste Bravais i 1848, selvom de første ideer af denne art blev udtrykt i afhandlinger af Nicholas Steno (1669), Rene Just Gayuy (1784), Isaac Newton i hans værk " Matematical Principles of Natural Philosophy " (1686), hvor lydens hastighed i en kæde af elastisk bundne partikler blev beregnet, Daniel Bernoulli ( 1727), Augustin Louis Cauchy (1830) m.fl.
Når temperaturen stiger, bliver faste stoffer flydende eller gasformige. Overgangen af et fast stof til en væske kaldes smeltning , og overgangen til en gasformig tilstand, der går uden om væsken, kaldes sublimering . Overgangen til et fast legeme (med et fald i temperatur) er krystallisation , til en amorf fase- vitrifikation .
Der er også faseovergange mellem faste faser, hvor den indre struktur af faste stoffer ændrer sig, og bliver ordnet efterhånden som temperaturen falder.
Ved atmosfærisk tryk og temperatur T > 0 K størkner alle stoffer i naturen. Undtagelsen er helium , for hvis krystallisation kræves et tryk på 24 atm [2] .
Under faste stoffers fysiske egenskaber forstås deres specifikke adfærd under påvirkning af visse kræfter og felter. Der er tre hovedmåder at påvirke faste stoffer, svarende til de tre hovedtyper af energi: mekanisk , termisk og elektromagnetisk . Følgelig er der tre hovedgrupper af fysiske egenskaber.
Mekaniske egenskaber forbinder mekaniske spændinger og deformationer af en krop, ifølge resultaterne af omfattende undersøgelser af de mekaniske og rheologiske egenskaber af faste stoffer, udført af skolen af akademiker P. A. Rebinder , kan opdeles i elastisk, styrke, rheologisk og teknologisk. Når væsker eller gasser virker på faste stoffer, fremkommer deres hydrauliske og gasdynamiske egenskaber.
Termiske egenskaber er egenskaber, der påvirkes af termiske felter. Strålingsegenskaber, som viser sig, når et fast legeme udsættes for strømme af mikropartikler eller elektromagnetiske bølger af betydelig stivhed (røntgenstråler, gammastråler), kan betinget tilskrives elektromagnetiske egenskaber.
Det letteste kendte faste materiale er aerogel . Nogle typer aerogel har en densitet på 1,9 mg /cm³ eller 1,9 kg /m³ (1/530 af vands densitet).
I hvile bevarer faste stoffer deres form, men deformeres under påvirkning af ydre kræfter. Afhængig af størrelsen af den påførte kraft kan deformationen være elastisk, plastisk eller destruktiv. Ved elastisk deformation vender kroppen tilbage til sin oprindelige form efter fjernelse af de påførte kræfter. Et fast legemes reaktion på den påførte kraft beskrives ved elasticitetsmodulerne . Et karakteristisk træk ved et fast stof sammenlignet med væsker og gasser er, at det ikke kun modstår spænding og kompression, men også forskydning , bøjning og vridning .
Under plastisk deformation bevares den oprindelige form ikke. Arten af deformationen afhænger også af den tid, hvor den ydre kraft virker. Et fast legeme kan deformeres elastisk under øjeblikkelig påvirkning, men plastisk hvis ydre kræfter virker i længere tid. Denne adfærd kaldes krybning . Et af karakteristikaene ved deformation er kroppens hårdhed - evnen til at modstå indtrængning af andre kroppe ind i den.
Hvert fast legeme har sin iboende deformationstærskel , hvorefter ødelæggelse sker. Et solidt legemes egenskab til at modstå ødelæggelse er karakteriseret ved styrke . Ved brud opstår der revner og forplanter sig i et fast legeme , hvilket til sidst fører til et brud.
De mekaniske egenskaber af et fast stof inkluderer også dets evne til at lede lyd , som er en bølge, der overfører lokal deformation fra et sted til et andet. I modsætning til væsker og gasser kan ikke kun langsgående lydbølger, men også tværgående lydbølger forplante sig i et fast legeme, hvilket er forbundet med et fast legemes modstand mod forskydningsdeformation. Lydens hastighed i faste stoffer er generelt højere end i gasser, især i luft, da den interatomiske vekselvirkning er meget stærkere. Lydens hastighed i krystallinske faste stoffer er karakteriseret ved anisotropi , det vil sige afhængighed af udbredelsesretningen.
Den vigtigste termiske egenskab ved et fast stof er dets smeltepunkt , den temperatur, hvor overgangen til en flydende tilstand sker. En anden vigtig egenskab ved smeltning er den latente fusionsvarme . I modsætning til krystaller, i amorfe faste stoffer, sker overgangen til en flydende tilstand med stigende temperatur gradvist. Det er karakteriseret ved glasovergangstemperaturen - den temperatur, over hvilken materialet næsten fuldstændig mister sin elasticitet og bliver meget plastisk.
En ændring i temperatur forårsager deformation af et fast legeme, hovedsageligt en stigning i temperaturen fører til ekspansion. Kvantitativt er det kendetegnet ved termisk udvidelseskoefficient . Varmekapaciteten af et fast stof afhænger af temperaturen, især ved lave temperaturer, men ved stuetemperatur og derover har mange faste stoffer en omtrent konstant varmekapacitet ( Dulong-Petit lov ). Overgangen til en stabil afhængighed af varmekapaciteten af temperaturen sker ved den Debye-temperatur , der er karakteristisk for hvert materiale . Andre karakteristika ved faste materialer afhænger også af temperatur, især mekaniske: plasticitet, flydende, styrke, hårdhed.
Afhængigt af størrelsen af resistiviteten opdeles faste stoffer i ledere og dielektriske stoffer , en mellemposition mellem hvilke er optaget af halvledere . Halvledere har lav elektrisk ledningsevne, men de har tendens til at stige med temperaturen. Faste stoffers elektriske egenskaber er relateret til deres elektroniske struktur. Dielektrika har et hul i elektronernes energispektrum, som i tilfælde af krystallinske faste stoffer kaldes båndgabet. Dette er det område af energiværdier, som elektroner i et fast stof ikke kan have. I dielektrikum er alle elektroniske tilstande under hullet udfyldt, og takket være Pauli-princippet kan elektroner ikke passere fra en tilstand til en anden, hvilket er årsagen til den manglende ledningsevne. Halvlederes ledningsevne er meget afhængig af urenheder- acceptorer og donorer .
Der er en bestemt klasse af faste stoffer, der er karakteriseret ved ionisk ledningsevne . Disse materialer kaldes superionik . Grundlæggende er disse ionkrystaller , hvor ioner af en type kan bevæge sig ret frit mellem det urokkelige gitter af ioner af en anden type.
Ved lave temperaturer er nogle faste stoffer karakteriseret ved superledning - evnen til at lede elektrisk strøm uden modstand.
Der er en klasse af faste stoffer, der kan have spontan polarisering - pyroelektrik . Hvis denne egenskab kun er karakteristisk for en af faserne, som eksisterer i et bestemt temperaturområde, kaldes sådanne materialer ferroelektriske stoffer . Piezoelektrik er karakteriseret ved et stærkt forhold mellem polarisering og mekanisk belastning.
Ferromagneter er karakteriseret ved eksistensen af et spontant magnetisk moment .
De optiske egenskaber af faste stoffer er meget forskellige. Metaller har generelt en høj lysreflektans i det synlige område af spektret, mange dielektrika er gennemsigtige, såsom glas. Ofte skyldes farven på et bestemt fast stof lysabsorberende urenheder. For halvledere og dielektrika er fotokonduktivitet karakteristisk - en stigning i elektrisk ledningsevne, når den er belyst.
Faste stoffer, der findes i naturen, er kendetegnet ved et stort udvalg af egenskaber, som konstant vokser. Afhængigt af de opgaver, der er tildelt en bestemt videnskab, er kun visse egenskaber ved en fast krop vigtige, andre er ubetydelige. For eksempel, når man studerer styrken af stål, har dets magnetiske egenskaber ikke væsentlig betydning.
For at lette undersøgelsen erstattes den virkelige krop med en ideel, der kun fremhæver de vigtigste egenskaber for den pågældende sag. Denne tilgang, der bruges af mange videnskaber, kaldes abstraktion . Efter at have fremhævet en idealiseret krop med en vis liste over væsentlige egenskaber, opbygges en teori. Pålideligheden af en sådan teori afhænger af, hvor vellykket den accepterede idealisering afspejler objektets væsentlige egenskaber. Dette kan vurderes ved at sammenligne resultaterne af undersøgelser opnået teoretisk ud fra en idealiseret model og eksperimentelt.
I teoretisk mekanik er et idealiseret skema af et rigtigt stivt legeme et absolut stivt legeme, det vil sige en, hvori under alle omstændigheder afstandene mellem punkter er konstante - hverken størrelsen eller formen af kroppen ændres.
I teorien om elasticitet og dens anvendte anvendelse af styrke overvejes også modeller, der tager højde for og absolutiserer individuelle egenskaber ved en solid krop. Således gør accepten af betingelserne for homogenitet og kontinuitet ved små deformationer det muligt at anvende metoderne til analyse af uendelige små mængder, hvilket i høj grad forenkler konstruktionen af teorien om materialers modstand.
Det menes også, at forholdet mellem spændinger og belastninger er lineært (se Hookes lov ).
I teorien om plasticitet er modeller af et fast legeme baseret på idealiseringen af egenskaberne ved belastningshærdning eller egenskaberne for fluiditet af faste stoffer i en stress-belastningstilstand .
| Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
| Faseovergange |
| ||||||||||||||||
| Spred systemer | |||||||||||||||||
| se også | |||||||||||||||||