Предисловие к учебному пособию "Физика конденсированных сред"

ПРЕДИСЛОВИЕ

Известно, что вещества в природе могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из них конденсированными считаются жидкое и твердое. В отличие от жидкостей и газов, твердые тела обладают упругостью формы. Это значит, что при изменении формы твердого тела под воздействием внешних сил в этом теле возникают внутренние упругие силы, стремящиеся возвратить твердое тело к первоначальной форме. Иными словами, твердое тело обладает способностью сохранять (при неизменной температуре) свою форму и размеры.

Наука о конденсированных системах, по существу, зародилась одновременно с цивилизацией человечества. Действительно, даже названия ранних эпох цивилизации связаны с материалами, которые были в ту пору в употреблении, в твердом, то есть в конденсированном состоянии, например, каменный век, бронзовый век и т. д. Темпы развития ранней цивилизации определялись главным образом уровнем производства и обработки твердых материалов.

Твердые тела имеют наиболее широкое применение в технике. Можно с полной определенностью сказать, что без твердого тела нельзя создать ни одной машины, ни механизма. В подавляющем большинстве машин, механизмов и других технических средств исполнительные «органы» представляют собою твердые тела. Даже в тех случаях, когда исполнителем является жидкость (гидромонитор, гидротранспортер), она получает свое направленное движение только вследствие взаимодействия с определенной системой твердых тел.

Упорядоченность строения кристаллических твердых тел и связанная с этим анизотропность их свойств (о чем подробнее будет сказано ниже) обусловили широкое применение кристаллов в науке и технике.

Кристаллы позволили выяснить физическую природу рентгеновских лучей, изучить волновые свойства электронов, дали возможность произвести широкий комплекс исследований в поляризованном свете, помогли разгадать и многие другие загадки науки. В последние десятилетия быстро развивается применение кристаллов в полупроводниковой технике, и возникло использование кристаллов в квантовых генераторах и усилителях (так называемые «лазеры» и «мазеры»), получающих все большее значение (передача информации, весьма точная обработка сверхтвердых материалов, тонкая хирургия на уровне клетки).

В ряде случаев требуется создание материалов, обладающих определенным комплексом свойств, что представляет особые трудности. Важная роль в решении указанных задач наряду с инженерами и технологами принадлежит физикам. На долю физиков приходится как разработка физических методов исследования и синтеза материалов, так и создание последовательной микроскопической теории твердого тела, что является главной задачей. Физик, специализирующийся в области твердого тела, должен обладать широким кругозором. Только при этом условии он сможет успешно работать не только в установившихся направлениях, но и в новых направлениях, создающихся на наших глазах.

Новый курс физики конденсированных сред 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: жидкое, твердое (кристаллы, поликристаллы) и аморфное.

Для исследования конденсированного состояния применяются методы структурного и химического анализа, такие как металлографический, количественный металлографический, нейтронографический, радиоспектроскопический, электронного и ядерного резонанса, метод меченых атомов и многие другие. Они имеют большое практическое значение и используются:

1.  При разработке материалов, обладающих особыми механическими свойствами (эластичностью, прочностью, жаропрочностью, твердостью –  металлокерамика, металлокристаллы, искусственные алмазы и др.).

2.  При разработке материалов, обладающих особыми физическими свойствами (с необходимыми электрическими, магнитными, оптическими и тепловыми свойствами: полупроводники, сверхпроводники, пьезоэлектрики, сегнето- и анти-сегнетоэлектрики, ферромагнетики, антиферромагнетики, кристаллы для инфракрасной и ультрафиолетовой оптики, жидкие кристаллы, материалы с эффектом памяти формы, инвары, ковары; с заданными теплопроводностью и теплоемкостью и др.).

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

Для исследований конденсированного состояния может применяться  различная приборная техника: оптические микроскопы, которые позволяют исследовать микроструктуру кристаллических и аморфных материалов при увеличении до 1000 раз; электронные микроскопы, позволяющие получить увеличение в десятки и сотни тысяч раз; рентгенотехника (источники рентгеновского излучения, дифрактометры); ионные проекторы; квантометры и спектрографы (при возбуждении поверхностного слоя материала плазменным разрядом фиксируется спектр излучения, по которому судят о составе материала). Техника для определения механических свойств конденсированных веществ в твердом состоянии следующая: твердомеры и микротвердомеры, разрывные машины, маятниковые копры (для определения ударной вязкости) и многие другие устройства и приборы. Техника для определения физических свойств конденсированных материалов следующая: аналитические весы для определения плотности, дилатометры для определения коэффициента теплового расширения, измерители теплоемкости, измерители теплопроводности, мосты для определения электросопротивления, коэрцитиметры и анизометры, ультразвуковые дефектоскопы и др.

Большим и одним из важнейших разделов физики конденсированных сред, имеющим весьма широкое практическое применение, является физика твердого тела. В задачу физики твердого тела входит выяснение вопросов образования и роста кристаллов (кристаллизация) и их разрушения под влиянием различных факторов (плавление, действие излучения и т. д.), а также исследование поведения вещества в широком диапазоне температур и давлений. Физика твердого тела широко использует данные об атомно-электронной структуре вещества и силах межатомного и межмолекулярного взаимодействий. Она лежит в основе металловедения, материаловедения, производства полупроводников, пьезоэлектриков, сегнетоэлектриков, магнитных материалов, искусственных драгоценных камней (алмазов, рубинов и пр.), оптических кристаллов (в том числе люминофоров) и т. д.

Считаем своим долгом указать на то, что для подготовки настоящего учебного пособия использовались материалы учебников и других изданий авторов Я.С. Уманского, Ю.А. Скакова, С.З. Бокштейна, Ч. Уэрта, Р. Томсона, Г.И. Епифанова, Б.Н. Бушманова, Ю.А. Хромова, Ч.С. Баррета, Т.Б. Масальского, Ф.Е. Люборского, И.И. Новикова, П.П. Арсентьева, Л.А. Коледова, Г.С. Жданова и др.

Начиная излагать материал, необходимо указать на то, что физика конденсированных сред обобщает три подраздела: физику жидкости, физику твердых тел и физику аморфных тел.