En fast kropp är ett av de fyra grundläggande aggregattillstånden av materia , som skiljer sig från andra aggregattillstånd ( vätskor , gaser , plasma ) i formstabiliteten och arten av den termiska rörelsen hos atomer som gör små vibrationer runt jämviktspositioner [ 1] .
Skilj mellan kristallina och amorfa fasta ämnen. Den gren av fysiken som studerar fasta ämnens sammansättning och inre struktur kallas fasta tillståndets fysik . Hur en stel kropp ändrar form under stötar och rörelse studeras av en separat disciplin - solid (deformerbar) kroppsmekanik . Rörelsen av en absolut stel kropp hanteras av den tredje vetenskapen - kinematik av en stel kropp .
Konstgjorda tekniska anordningar använder olika egenskaper hos en solid kropp. Tidigare användes en solid kropp som konstruktionsmaterial och användningen baserades på direkt påtagliga mekaniska egenskaper som hårdhet , massa , plasticitet , elasticitet , sprödhet . I den moderna världen är användningen av en fast kropp också baserad på fysikaliska egenskaper som ofta återfinns endast i laboratoriestudier.
Fasta ämnen kan vara i kristallint och amorft tillstånd. Kristaller kännetecknas av rumslig periodicitet i arrangemanget av atomernas jämviktspositioner [1] , vilket uppnås genom närvaron av en långdistansordning [2] och kallas kristallgittret . Den naturliga formen av kristaller är vanliga polyedrar [3] . I amorfa kroppar vibrerar atomer runt slumpmässigt placerade punkter [1] , de saknar långvägsordning, men kortdistansordning finns bevarad , där molekylerna är ordnade på ett koordinerat sätt på ett avstånd som är jämförbart med deras storlek. Ett specialfall av det amorfa tillståndet är det glasartade tillståndet [2] . Enligt klassiska begrepp är ett stabilt tillstånd (med ett minimum av potentiell energi ) hos en fast kropp kristallint. En amorf kropp är i ett metastabilt tillstånd och måste övergå i ett kristallint tillstånd med tiden, men kristalliseringstiden är ofta så lång att metastabiliteten inte visar sig alls. En amorf kropp kan betraktas som en vätska med mycket hög (ofta oändligt hög) viskositet [2] .
Egenskaperna hos en fast kropp och rörelsen av partiklar i den studeras i sektionen av fysik , som kallas fasta tillståndets fysik (en underavdelning av den kondenserade materiens fysik ). Fasta tillståndets fysik är en självständig vetenskaplig disciplin med specifika forskningsmetoder och matematiska apparater. Dess utveckling dikteras av praktiska behov [2] . Beroende på studieobjektet är fasta tillståndets fysik indelad i fysik av metaller , halvledare , magneter och andra. Enligt forskningsmetoder särskiljs röntgenstrukturanalys , radiospektroskopi och liknande. Dessutom finns det en uppdelning i samband med studiet av vissa egenskaper (mekaniska, termiska och så vidare) [1] [2] .
Materialvetenskap behandlar huvudsakligen frågor relaterade till fasta ämnens egenskaper, såsom hårdhet , draghållfasthet , materialbeständighet mot belastningar samt fasomvandlingar . Detta sammanfaller till stor del med de frågor som studeras av fasta tillståndets fysik. Solid State Chemistry täcker de frågor som beaktas av båda dessa kunskapsgrenar, men påverkar särskilt frågorna om att syntetisera nya material.
Elektriska och vissa andra egenskaper hos fasta ämnen bestäms huvudsakligen av arten av rörelsen av de yttre elektronerna i dess atomer [1] . Det finns fem klasser av fasta ämnen beroende på typen av bindning mellan atomer [2] :
Beroende på typen av bandstruktur klassificeras fasta ämnen i ledare , halvledare och dielektrika .
Genom magnetiska egenskaper delas fasta ämnen in i diamagneter , paramagneter och kroppar med en ordnad magnetisk struktur [1] . Diamagnetiska egenskaper, som är svagt beroende av tillståndet för aggregation eller temperatur, överlappas vanligtvis av paramagnetiska, som är en konsekvens av orienteringen av de magnetiska momenten hos atomer och ledningselektroner. Enligt Curie-lagen minskar den paramagnetiska känsligheten omvänt med temperaturen och är vid en temperatur på 300 K vanligtvis 10 −5 . Paramagneter omvandlas till ferromagneter , antiferromagneter eller ferrimagneter när temperaturen sjunker [2] .
Trots att fasta ämnen (metaller, mineraler) har studerats under lång tid började en omfattande studie och systematisering av information om deras egenskaper på 1600-talet. Sedan dess har ett antal empiriska lagar upptäckts som beskriver inverkan av mekaniska krafter på en fast kropp, förändringar i temperatur, ljus, elektromagnetiska fält etc. Följande formulerades:
Redan under första hälften av 1800-talet formulerades huvudbestämmelserna i elasticitetsteorin, som kännetecknas av idén om en solid kropp som ett kontinuerligt medium .
En holistisk syn på kristallstrukturen hos fasta ämnen, som en samling atomer, vars ordnade placering i rymden säkerställs av växelverkanskrafter, bildades av Auguste Bravais 1848, även om de första idéerna av detta slag uttrycktes i avhandlingar av Nicholas Steno (1669), Rene Just Gayuy (1784), Isaac Newton i hans verk " Matematical Principles of Natural Philosophy " (1686), där ljudets hastighet i en kedja av elastiskt bundna partiklar beräknades, Daniel Bernoulli ( 1727), Augustin Louis Cauchy (1830) och andra.
När temperaturen stiger blir fasta ämnen flytande eller gasformiga. Övergången av ett fast ämne till en vätska kallas smältning , och övergången till ett gasformigt tillstånd, som går förbi vätskan, kallas sublimering . Övergången till en fast kropp (med en minskning i temperatur) är kristallisation , till en amorf fas- vitrifikation .
Det finns också fasövergångar mellan fasta faser, där den inre strukturen hos fasta ämnen förändras och blir ordnade när temperaturen sjunker.
Vid atmosfärstryck och temperatur T > 0 K stelnar alla ämnen i naturen. Undantaget är helium , för kristalliseringen av vilket ett tryck på 24 atm krävs [2] .
Under de fysiska egenskaperna hos fasta ämnen förstås deras specifika beteende under påverkan av vissa krafter och fält. Det finns tre huvudsakliga sätt att påverka fasta ämnen, motsvarande de tre huvudtyperna av energi: mekanisk , termisk och elektromagnetisk . Följaktligen finns det tre huvudgrupper av fysiska egenskaper.
Mekaniska egenskaper förbinder mekaniska spänningar och deformationer av en kropp, enligt resultaten av omfattande studier av de mekaniska och reologiska egenskaperna hos fasta ämnen, utförda av akademiker P. A. Rebinders skola , kan delas in i elastisk, styrka, reologisk och teknisk. Dessutom, när vätskor eller gaser verkar på fasta ämnen, uppträder deras hydrauliska och gasdynamiska egenskaper.
Termiska egenskaper är egenskaper som påverkas av termiska fält. Strålningsegenskaper, som visar sig när en fast kropp utsätts för flöden av mikropartiklar eller elektromagnetiska vågor av betydande styvhet (röntgenstrålar, gammastrålar), kan villkorligt tillskrivas elektromagnetiska egenskaper.
Det lättaste kända fasta materialet är aerogel . Vissa typer av aerogel har en densitet på 1,9 mg /cm³ eller 1,9 kg /m³ (1/530 av vattnets densitet).
I vila behåller fasta ämnen sin form, men deformeras under påverkan av yttre krafter. Beroende på storleken på den applicerade kraften kan deformationen vara elastisk, plastisk eller destruktiv. Vid elastisk deformation återgår kroppen till sin ursprungliga form efter att de applicerade krafterna har avlägsnats. En solid kropps svar på den applicerade kraften beskrivs av elasticitetsmodulerna . En utmärkande egenskap hos ett fast ämne jämfört med vätskor och gaser är att det inte bara motstår spänning och kompression, utan även skjuvning , böjning och vridning .
Under plastisk deformation bevaras inte den ursprungliga formen. Deformationens karaktär beror också på den tid under vilken den yttre kraften verkar. En fast kropp kan deformeras elastiskt under omedelbar verkan, men plastiskt om yttre krafter verkar under lång tid. Detta beteende kallas krypning . En av egenskaperna hos deformation är kroppens hårdhet - förmågan att motstå penetration av andra kroppar in i den.
Varje fast kropp har sin inneboende deformationströskel , varefter förstörelse inträffar. En solid kropps egenskap att motstå förstörelse kännetecknas av styrka . När de spricker uppstår sprickor och fortplantar sig i en fast kropp , vilket så småningom leder till en fraktur.
De mekaniska egenskaperna hos ett fast ämne inkluderar också dess förmåga att leda ljud , vilket är en våg som överför lokal deformation från en plats till en annan. Till skillnad från vätskor och gaser kan inte bara longitudinella ljudvågor, utan även tvärgående, fortplanta sig i en fast kropp, vilket är förknippat med motståndet hos en solid kropp mot skjuvdeformation. Ljudhastigheten i fasta ämnen är i allmänhet högre än i gaser, särskilt i luft, eftersom den interatomära interaktionen är mycket starkare. Ljudhastigheten i kristallina fasta ämnen kännetecknas av anisotropi , det vill säga beroende av utbredningsriktningen.
Den viktigaste termiska egenskapen hos ett fast ämne är dess smältpunkt , den temperatur vid vilken övergången till flytande tillstånd sker. En annan viktig egenskap hos smältning är den latenta smältvärmen . Till skillnad från kristaller, i amorfa fasta ämnen, sker övergången till ett flytande tillstånd med ökande temperatur gradvis. Det kännetecknas av glasövergångstemperaturen - den temperatur över vilken materialet nästan helt förlorar sin elasticitet och blir mycket plastiskt.
En förändring i temperatur orsakar deformation av en fast kropp, främst leder en ökning av temperaturen till expansion. Kvantitativt kännetecknas den av termisk expansionskoefficient . Värmekapaciteten hos ett fast ämne beror på temperaturen, särskilt vid låga temperaturer, men vid rumstemperatur och uppåt har många fasta ämnen en ungefär konstant värmekapacitet ( Dulong-Petit lag ). Övergången till ett stabilt beroende av värmekapacitet på temperaturen sker vid den Debye-temperatur som är karakteristisk för varje material . Andra egenskaper hos fasta material beror också på temperatur, särskilt mekaniska: plasticitet, flytbarhet, hållfasthet, hårdhet.
Beroende på resistivitetens storlek delas fasta ämnen in i ledare och dielektrikum , en mellanposition mellan vilka halvledare upptas . Halvledare har låg elektrisk ledningsförmåga, men de tenderar att öka med temperaturen. Fasta ämnens elektriska egenskaper är relaterade till deras elektroniska struktur. Dielektrika har ett gap i elektronernas energispektrum, vilket i fallet med kristallina fasta ämnen kallas bandgapet. Detta är intervallet av energivärden som elektroner i ett fast ämne inte kan ha. Inom dielektrikum fylls alla elektroniska tillstånd under gapet, och tack vare Pauli-principen kan elektroner inte passera från ett tillstånd till ett annat, vilket är orsaken till bristen på konduktivitet. Konduktiviteten hos halvledare är mycket beroende av föroreningsacceptorer och donatorer .
Det finns en viss klass av fasta ämnen som kännetecknas av jonledningsförmåga . Dessa material kallas superionika . I grund och botten är dessa jonkristaller , där joner av en typ kan röra sig ganska fritt mellan det orubbliga gittret av joner av en annan typ.
Vid låga temperaturer kännetecknas vissa fasta ämnen av supraledning - förmågan att leda elektrisk ström utan motstånd.
Det finns en klass av fasta ämnen som kan ha spontan polarisationspyroelektrik . Om denna egenskap är karakteristisk för endast en av faserna, som finns i ett visst temperaturområde, kallas sådana material ferroelektriska . Piezoelektrik kännetecknas av ett starkt samband mellan polarisation och mekanisk påkänning.
Ferromagneter kännetecknas av förekomsten av ett spontant magnetiskt moment .
De optiska egenskaperna hos fasta ämnen är mycket olika. Metaller har i allmänhet en hög ljusreflektans i det synliga området av spektrumet, många dielektrika är transparenta, såsom glas. Ofta beror färgen på en viss fast substans på ljusabsorberande föroreningar. För halvledare och dielektrika är fotokonduktivitet karakteristisk - en ökning av elektrisk ledningsförmåga när den är upplyst.
Fasta ämnen som finns i naturen kännetecknas av en enorm variation av egenskaper, som ständigt växer. Beroende på de uppgifter som tilldelats en viss vetenskap är endast vissa egenskaper hos en fast kropp viktiga, andra är obetydliga. Till exempel, när man studerar stålets hållfasthet , har dess magnetiska egenskaper ingen signifikant betydelse.
För att underlätta studien ersätts den verkliga kroppen med en idealisk, som endast lyfter fram de viktigaste egenskaperna för det aktuella fallet. Detta tillvägagångssätt, som används av många vetenskaper, kallas abstraktion . Efter att ha lyft fram en idealiserad kropp med en viss lista över väsentliga egenskaper byggs en teori upp. Tillförlitligheten hos en sådan teori beror på hur framgångsrikt den accepterade idealiseringen återspeglar objektets väsentliga egenskaper. Detta kan bedömas genom att jämföra resultaten från studier erhållna teoretiskt utifrån en idealiserad modell och experimentellt.
Inom teoretisk mekanik är ett idealiserat schema för en verklig stel kropp en absolut stel kropp, det vill säga en där avstånden mellan alla punkter under alla omständigheter är konstanta - varken storleken eller formen på kroppen förändras.
I teorin om elasticitet och dess tillämpade tillämpning av styrka övervägs också modeller som tar hänsyn till och absolutiserar individuella egenskaper hos en solid kropp. Således gör acceptansen av villkoren för homogenitet och kontinuitet vid små deformationer det möjligt att tillämpa metoderna för analys av oändligt små kvantiteter, vilket i hög grad förenklar konstruktionen av teorin om materialresistans.
Man tror också att sambandet mellan spänningar och töjningar är linjärt (se Hookes lag ).
I teorin om plasticitet är modeller av en solid kropp baserade på idealiseringen av egenskaperna hos töjningshärdning eller egenskaperna för flytbarheten hos fasta ämnen i ett stress-töjningstillstånd .
| Materias termodynamiska tillstånd | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fas tillstånd |
| ||||||||||||||||
| Fasövergångar |
| ||||||||||||||||
| Dispergera system | |||||||||||||||||
| se även | |||||||||||||||||