Общие понятия конденсированных систем и способы их получения. Жидкое состояние. Специфика металлических жидкостей. Структура металлов и сплавов. Металлические соединения

Введение

Курс физики конденсированных сред (ФКС) имеет своей задачей изучение и установление зависимости между составом атомно-электронной структуры и различными физическими свойствами жидкостей и твердых тел. Главной задачей является выяснение вопросов механизмов конденсации, образования и роста кристаллов (кристаллизации) и вопросов взаимодействия частей конденсированных систем.

Существует три вида конденсированного состояния:

1.  Жидкость;

2.  Кристаллы, поликристаллы;

3.  Аморфные тела.

Методы исследования:

1.  Структурный (металлография, нейтронография, количественный анализ);

2.  Спектроскопический (радиоспектроскопия, электронно-ядерный резонанс, метод меченых атомов, качественный анализ).

Результаты исследований имеют большое практическое значение. Они используются:

1.  При разработке материалов, обладающих особыми механическими свойствами (эластичностью, твердостью, прочностью, жаропрочностью и др.).

2.  При разработке материалов, обладающих особыми физическими свойствами (полупроводники, сверхпроводники, пьезоэлектрики, сегнето- и анти-сегнетоэлектрики, ферромагнетики, анти-ферромагнетики, кристаллы для инфракрасной и ультрафиолетовой оптики, жидкие кристаллы и др.).

3.  При разработке материалов, обладающих особыми химическими свойствами (материалы, обладающие коррозионной стойкостью в агрессивных средах: кислотах, щелочах, солях и др.).

Приборная техника для исследований:

1.  Оптический микроскоп – позволяет исследовать микроструктуру кристаллических и аморфных материалов при увеличении до 1000 раз.

2.  Электронные микроскопы:

1)  Просвечивающий – ПЭМ;

2)  Растровый – РЭМ.

3.  Ионный проектор.

4.  Рентгенотехника (ДРОН-3 и ДРОН-4, ИРИС).

5.  Спектрографы, квантометры (при возбуждении поверхностного слоя материала плазменным разрядом фиксируется спектр излучения, по спектру судят о составе материала).

6.  Техника для определения механических свойств:

1)  Твердомеры (ТК-3, ТР, ТШ) и микротвердомеры (ПМТ);

2)  Разрывные машины (МР);

3)  Маятниковые копры (для определения ударной вязкости).

7.  Техника для определения физических свойств:

1)  Весы (определяют плотность);

2)  Дилатометры (определяют коэффициент теплового расширения);

3)  Измерители теплоемкости (ИТС);

4)  Измерители теплопроводности (ИТР);

5)  Мост Томсона (для определения электросопротивления);

6)  Коэрцитиметры и анизометры;

7)  Ультразвуковые дефектоскопы.

Т. о. ФКС является частью более широкой науки – материаловедения.

Из истории. Первоначально ФКС как официальная наука развивалась главным образом в двух направлениях. К концу 19 века был разработан математический аппарат теории упругости. Другое направление возникло немного раньше (сер. 19 в.) – это математическое описание групп симметрии кристаллов (достижение геологии) – это направление было развито с открытием рентгеновских лучей, и в 1930 году реальные успехи ФКС были достигнуты после развития совершенной атомной теории (квантовой механики). В работах этого времени уже используются представления об орбитах электронов и природе сил связи между атомами твердых тел. Вслед за этим была создана схема, объясняющая электропроводность, теплоемкость, теплопроводность металлов. Работы, положившие начало второму направлению, появились в конце 30-х гг. 20 века. Это направление связано с исследованием несовершенств кристаллической структуры, изучением их влияния на физические свойства твердых тел. Эти дефекты называются вакансиями, дислокациями, межузельными атомами. Наиболее энергично представление о дефектах развивается после 1945 года. На современном этапе науки ФКС разрабатываются прецизионные материалы с особыми свойствами:

1)  С эффектом памяти формы;

2)  С заданным коэффициентом линейного расширения;

3)  С заданными теплопроводностью и теплоемкостью;

4)  С заданным электросопротивлением (диоды, теристоры, сверхпроводники);

5)  С высокой твердостью (металлокерамика, металлокристаллы, искусственные алмазы);

6)  С высокой механической прочностью;

7)  С высокими химическими свойствами.

Тема 1 Общие понятия конденсированных систем и способы их получения

1.1 Жидкости

Жидкости – вещества, способные заполнять различные объемы, не сохраняющие своей формы. Дальний порядок между атомами отсутствует, имеются лишь кратковременные связи между атомами – ближайшими соседями. Способы получения жидких тел основываются на конденсации газообразных веществ.

Конденсация – это переход газообразного состояния вещества в жидкое при изменении внешних условий температуры, давления