Твердое тело
Долгое время казалось, что самое интересное в физике — это исследование микромира и макрокосмоса. Именно там пытались найти ответы на наиболее важные, фундаментальные вопросы, объясняющие устройство окружающего мира. И вот сейчас образовался третий фронт исследований — изучение твердых тел.
Почему же так важно исследовать твердые тела?
Огромную роль, конечно, играет здесь практическая деятельность человека. Твердые тела — это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это — полупроводники, лежащие в основе современной электроники, магниты, сверхпроводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твердых тел.
Но не только практическая сторона дела важна при их изучении. Сама внутренняя логика развития науки — физики твердого тела — привела к пониманию важного значения коллективных свойств больших систем.
Твердое тело состоит из мириад частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определенного порядка в системе (рис. 1) и особых свойств всего коллектива микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твердых тел, а способность тела поглощать тепло — теплоемкость — зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твердых тел.
Структура твердых тел многообразна. Тем не менее их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные те-л а.
Строго говоря, аморфное состояние не является равновесным и с течением времени аморфное тело должно закристаллизоваться. Однако в обычных условиях это время может быть столь велико, что неравновесность не проявляется и аморфное тело практически устойчиво.
В кристаллах атомы (или ионы) расположены в пространстве в узлах кристаллической решетки (см. Кристаллофизика). Строгая периодичность в расположении атомов приводит к сохранению порядка на больших расстояниях (в таком случае говорят, что имеется дальний порядок).
На рис. 2 приведена фотография кристаллической пленки золота, полученная с помощью электронного микроскопа. Пленка состоит из областей с разными ориентациями кристаллической решетки. В каждой области ясно видна строгая периодическая структура с характерным расстоянием между атомами. Вы как бы смотрите на одну и ту же кристаллическую решетку под разными углами. Период этой решетки составляет всего ангстремы. Но известны вещества, в которых период дальнего порядка очень велик. В клыках мамонта и иглах дикобраза найдены белковые структуры, повторяющиеся через 0,1 мкм. Это очень большая величина для атомного мира.
Все реальные кристаллы имеют несовершенные структуры. В каком-то месте решетки может образоваться пустое место (вакансия) или внедриться чужеродный атом (примесь), или дислокации нарушат порядок в кристалле. Такие дефекты можно сделать видимыми, если обработать поверхность специальным травящим составом. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалл растворяется сильнее, и образуются так называемые ямки травления.
В аморфных веществах порядок нарушен не локально, а целиком (civr. Аморфное состояние). В них нет дальнего порядка. В то же время какое-то подобие порядка в аморфных веществах сохраняется. На рис. 3 показано различие между кристаллом кварца (черные точки — атомы кремния, красные — кислорода) и стеклом. Как видно, вблизи каждого атома и в стекле все же есть определенная структура. Поэтому говорят, что в аморфных веществах имеется ближний порядок.
Интересные опыты провел в 1959 г. английский физик Д. Бернал, изучая геометрическую структуру жидкостей и аморфных тел. Он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом преимущественно образовывались пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определенно есть.
Тепловое движение вызывает колебания атомов (или ионов), из которых состоит твердое тело. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями, и атомы не покидают своих мест. Поскольку атомы в твердом теле связаны между собой, их колебания происходят согласованно, так что по телу с определенной скоростью распространяется волна. Для описания колеба: ний в твердых телах при низких температурах часто используют представление о квазичастицах — фононах.
По своим электронным свойствам твердые тела разделяются на металлы, диэлектрики и полупроводники. Кроме того, при низких температурах возможно особое сверхпроводящее состояние, в котором сопротивление электрическому току равно нулю (см. Сверхпроводимость) .
Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики. У связанных электронов, например в атоме, энергия может принимать только определенные, квантованные значения. В твердом теле эти уровни энергии объединяются в зоны, разделенные запрещенными областями энергии (см. рис. 4). В силу принципа Паули электроны не скапливаются на нижнем уровне, а занимают уровни с разными энергиями. При этом может оказаться, что в результате все уровни энергии в зоне будут заполнены. Такое твердое тело является диэлектриком. Изменить энергию элек трона в этом случае можно только сразу на большую конечную величину (ширину запрещенной области, или, как говорят, энергетической щели). Поэтому электроны в диэлектрике не могут ускоряться в электрическом поле, и проводимость при нулевой температуре (когда нет тепловых возбуждений) равна нулю (сопротивление бесконечно).
В металле, напротив, верхний заполненный уровень энергии лежит внутри зоны, энергия электронов может меняться почти непрерывно, и электрическое поле создает ток. Упорядоченное движение электронов вдоль поля накладывается на интенсивное хаотическое движение. Максимальния энергия электронов определяется их концентрацией. В типичных металлах эта величина порядка элект-ронвольт. Соответствующая такой энергии температура ~ 104 К! Так что даже при абсолютном нуле часть электронов в металле энергично движется и имеет огромную эффективную температуру.
Полупроводник — это тот же диэлектрик, но с малой величиной энергетической щели. Тепловое движение может «забрасывать» электроны в свободную зону (она называется з о-ной проводимости в отличие от заполненной валентной зоны), где они уже ускоряются электрическим полем (рис. 5). Поэтому полупроводники обычно имеют небольшую проводимость, резко зависящую от температуры. На проводимость полупроводников можно также влиять, вводя специальные примеси (см. Полупроводники).
Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, в том числе так называемые интегральные схемы. Сейчас достигнута такая степень интеграции, что миллионы отдельных элементов умещаются на площади в 1 см2! Такое устройство как бы является единым кристаллом, и новую область техники не зря называют твердотельной электроникой.
Огромное значение для современной техники имеют магнитные материалы. Атомы (или часть атомов), из которых состоит твердое тело, могут обладать магнитным моментом. Если взаимодействие между магнитными моментами велико, то они выстраиваются определенным образом, и твердое тело переходит в ферромагнитное или антиферромагнитное состояние (см. Магнетизм). На рис. 6 показано расположение магнитных моментов ионов марганца в решетке оксида марганца. Вещество находится в антиферромагнитном состоянии.
Чем сложнее устроено твердое тело, тем труднее выявить коллективные эффекты. Особенно сложно устроены органические твердые тела, хотя и в них имеется определенная структура. Как именно возникает здесь упорядочение, к каким коллективным свойствам оно приводит — на эти вопросы еще предстоит ответить. Но ясно, что именно на этом пути лежит ключ к пониманию тайн живой природы.
