Конденсированное состояние вещества

ЧАСТЬ I. МЕЖАТОМНЫЕ СВЯЗИ И СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1.1. КОНДЕНСИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Понятие "конденсированное состояние" включает в себя как твердые тела кристаллического и некристаллического (аморфного) строения,  так и жидкости. Поскольку в данной книге значительное внимание будет уделено стеклу и стеклообразному веществу, целесообразно условиться, что в дальнейшем термины "конденсированное состояние вещества", "конденсат", "твердое тело" будет применяться для обобщения в единый класс веществ  с высокой сдвиговой вязкостью ~ 10¹³¸ 10¹⁴  Н×с/м² (против ~10^-3 Н×с/м² для жидкости вблизи температуры затвердения). Этими терминами мы будем называть тела, способные сохранять свою форму и размеры в условиях действия лишь сил тяготения и сил электромагнитной природы в естественных условиях Земли. Здесь мы отвлечемся пока от известного феномена высокой пластичности некоторых сверхчистых, специально очищенных веществ.

Параметры структуры веществ в конденсированном состоянии определяются как физико-химическими особенностями взаимодействия электронных оболочек коллективизируемых атомов, так и внешними условиями, в которых формируется материал. Так, медленное охлаждение расплава кремния и многих металлов приводит к образованию кристаллической структуры, тем более крупнозернистой, чем ниже скорость охлаждения. Вместе с тем медленное охлаждение расплава окислов - стекла - может привести к его частичной кристаллизации. Быстрое охлаждение расплавов некоторых веществ, например, Fe-B-Si, Ni-Pd-B, Fe-P-C, на охлаждаемом медном диске, или распылением струи в газовой атмосфере может привести к получению аморфной или  мелкокристаллической - "рентгеноаморфной" - структуры. Также аморфной может оказаться структура материала, получаемого конденсацией атом-за-атомом из пара или потока ионов. Переход «кристаллическое состояниеÞаморфная структура» - может быть осуществлен в твердой фазе путем имплантации в структуру ионов или нейтральных атомов, идентичных или неидентичных бомбардируемой матрице. Обратный переход «аморфная структураÞкристалл» - инициируется отжигом, температура и продолжительность которого зависят от большого числа параметров структуры: химического состава; наличия и распределения примесей; концентрации точечных дефектов; типа возникающей структуры и др.Общепринято считать структуру кристаллической, если в ней сохраняется дальний порядок в расположении атомов. Подразумевается, что в идеальном кристалле атомы расположены в столь определенных позициях, что, отмерив отрезок, насчитывающий одну или несколько тысяч целых параметров решетки вдоль атомного ряда, исследователь обязательно обнаружит очередной атом. В аморфных же структурах можно надеяться лишь на ближний порядок в группах- кластерах из единиц и десятков атомов. Такая группа достигает в поперечнике до 10 Å   и при современных методах исследования массив из многих кластеров не обнаруживает упорядоченного строения.

Рис. 1.1. Типичный ход графической зависимости теплоемкостей кристаллических и аморфных тел от температуры

Между группами атомы находятся в случайных позициях, обеспечивая связь  упорядоченных микроучастков друг с другом.

Макроскопическим параметром, позволяющим легко отличать вещества аморфного строения от кристаллических, является четко выраженная при температуре плавления площадка на графической зависимости теплоемкости тел от температуры (рис. 1.1).

Энергия, сообщаемая в виде тепла телу кристаллического строения, расходуется на разрушение межатомных связей, на разупорядочение структуры. При затвердевании это тепло будет выделено. При нагреве аморфного тела происходит лишь постепенное понижение его вязкости. Поэтому иначе стеклообразные твердые тела называют переохлажденными жидкостями.

Поведение материалов в тех или иных условиях, комплекс их свойств определяются характером межатомных взаимодействий и электронным строением.