Перечисленные виды связей различны по прочности и в значительной мере они зависят условий, в которых данное вещество находится

Агрегатные состояния.

В частности, всякое вещество, как известно, может находится в твёрдом, жидком и газообразным состояниях. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества. Агрегатные состояния вещества это состояния одного и того же вещества (напр., воды, железа,серы), переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и др. основных физических свойств. Так, вода при нормальном давлении 760 мм рт.ст. и при 0оС кристаллизуется в лёд, а при 100градС кипит и превращается в пар. Следовательно вода может существовать в твёрдом, жидком и газообразном агрегатном состоянии.

Существование нескольких агр. состояний обусловлено различиями в характере теплового движения молекул(атомов) вещества и их взаимодействий.

В газах молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся свободно, заполняя весь объём, в котором газ находится.

У жидкостей и твёрдых тел – конденсированных систем – молекулы (атомы) расположены близко друг от друга и взаимодействуют со значительными силами. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами определённого объёма. Однако характер движения молекул в жидкостях и в твёрдых телах различен, чем объясняются различие их структуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллическом состоянии атомы совершают лишь небольшие колебания вблизи узлов крист. решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности – дальним порядком в расположении атомов. Тв. тело – это более упорядоченная система, чем жидкость. Тепловое движение молекул жидкости представляет сочетание малых колебаний около положения равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обуславливают существование в жидкости лишь ближнего порядка в расположении молекул (атомов), а также свойственные жидкому состоянию подвижность и текучесть. Тв. тела сохраняют не только объём, но и форму (в отличие от жидкостей). У них имеется конкретная величина напряжения сдвига и др. прочностных параметров.

Плазму выделяют в особое агр. состояние вещества в связи с тем, что заряженные частицы плазмы, в отличие от нейтральных молекул обычного газа, взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Этим объясняется ряд своеобразных свойств плазмы.

Переходы из одного агр. состояния в другое обычно сопровождаются скачкообразным изменением их св. энергии, плотности и др. физических величин. Однако бывают исключения, когда переходы из более упорядоченного по структуре агр. состояния в менее упорядоченное могут происходить как скачком при определённых температурах и давлении (плавление, кипение), так и непрерывно. Возможность непрерывных переходов (напр. Жидкости в пар) указывает на некоторую условность выделения агр. состояния веществ. Эта условность подтверждается существованием тв. аморфных веществ, сохранивших структуру жидкости; нескольких видов крист. состояния у ряда веществ; жидких кристаллов; существование у полимеров особого высокоэластического состояния, промежуточного между стеклообразным и жидким и др. явлениями. В связи с этим в современной физике вместо понятия агр. состояние пользуются более широким понятием – фазы.

Объектом нашего изучения, в основном, – твёрдое тело.

Твёрдое тело – основной материал, используемый человеком.

Можно сформулировать несколько характерных особенностей тв. тел как физических объектов, состоящих из огромного количества(макроскопического) атомных частиц и электронов.

1). Атомы, молекулы и ионы – это структурные единицы тв. тела, т.е. энергия взаимодействия между ними мала по сравнению с энергией, которую надо затратить на разрушение самой структурной единицы. Но при этом энергия их взаимодействия велика по сравнению с энергией их теплового движения (в газах обратное соотношение). В тех случаях, когда энергия теплового движения оказывается порядка или больше энергии взаимодействия между структурными единицами, в тв. теле происходит перестройка структуры.

2). Тв. тела характеризуются большим разнообразием сил, действующих между частицами, а также их движений.

Движения атомных частиц в тв. теле проявляются в различных его свойствах. Все движения можно разделить на три типа: а). Диффузия – флуктуационное перемещение атома из занятого им положения в соседнее – свободное. Как правило, время оседлой жизни атома значительно больше, чем время перемещения – атом совершает редкие скачки, вероятность которых возрастает с ростом температуры. Диффузионное перемещение – сравнительно редкий пример классического движения атомов в тв. теле. б). Коллективные движения частиц, простейший пример которых – колебания кристаллической решётки. Энергия движения колеблющихся атомов приближённо равна сумме энергий отдельных колебаний. Эти колебания не превышают атомный масштаб. В). При низких температурах (вблизи Т=0К) атомные частицы могут совершать движение квантовое по своей природе, но макроскопическое по масштабу. Наиболее изучено движение электронов в сверхпроводниках и атомов в сверхтекучем гелии. Характерная черта сверхпроводящего и сверхтекучего движения – строгая согласованность в поведении частиц, обусловленная взаимодействием между ними. Для выхода из такого коллектива частица должна преодолеть некоторую энергию (энергетическую щель).Существование этой щели делает сверхроводящее и сверхтекучее движение устойчивым.

3). Знание атомной структуры тв. тела и характер движения частиц в нём позволяет установить какие квазичастицы ответственны за то или др. явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлены электронами проводимости, а теплопроводность – электронами проводимости и фононами, ферромагнитный резонанс – магнонами и т.д. Отличие колич. характеристик различных движений позволяет отделить одно движение от другого. Например, из–за большого различия в массах скорость движения ионов в металлах и полупроводниках очень мала по сравнению со скоростью электронов. Поэтому в некотором приближении рассматривая движение электронов, ионы можно считать неподвижными.

4). Все тв. тела при достаточном повышении температуры плавятся (или возгоняются). Подводимая к телу в процессе плавления теплота тратится на разрыв межатомных связей. Температура плавления, характеризующая силу связи ат. частиц в тв. телах различна: у молек. водорода Тпл = –259°.С, а у графита более 4000 °С, у вольфрама – 3410 +– 20градС.

При изменении внешних условий (давления, температуры, магнитного поля и т.д.) в тв. теле происходят скачкообразные изменения структуры и свойств – фазовые переходы. Для тв. тел характерен полиморфизм – наличие различных устойчивых кристаллических структур (модификаций), например, графит и алмаз, белое и серое олово. Обнаружено большое количество различных существующих при больших давлениях кристаллических модификаций, многие из которых отличаются физическими свойствами. Например, висмут под давлением образует три сверхпроводящие модификации: при 25300 – 27000 атм. и Т= 3,93°.С; при 27000–80000 атм и Т= 6,9°.С и при менее 80000 и Т=7 °.С. Многие полупроводники под давлением переходят в металлическое состояние (германий при 120000 атм. становится металлом), а иттербий (металл) становится полупроводником.

Знание атомно–молекулярной структуры тв. тела, характера движения составляющих его частиц объясняет наблюдаемые явления и позволяет предсказать ещё не открытые свойства тв. тела., а также целенаправленно изменять структуру тв. тела и синтезировать тв. тела с уникальным набором свойств.