Большая советсткая энциклопедия Металлофизика

Металлофизика

Металлофизика, раздел физики, изучающий строение и свойства металлов. Как и физика диэлектриков и полупроводников, М. является составной частью физики твёрдого тела. Современная М. представляет собой синтез микроскопической теории, объясняющей свойства металлов особенностями их атомного строения, и теоретического металловедения, использующего макроскопические методы термодинамики, механики сплошных сред и др. для исследования строения и свойств реальных металлических материалов. Широкое использование металлов привело к тому, что их основные физические и химические свойства были изучены ещё в 19 в. Однако природа этих свойств не могла быть понята без развития представлений об атомном строении вещества.

Микроскопическая теория металлов начала развиваться в 20 в. В 1900 П. Друде предложил модель металла, в которой электропроводность осуществлялась потоком "электронного газа", заполняющего промежутки между атомами. Полагая, что электронный газ находится в тепловом равновесии и что под действием приложенного электрического поля электроны "дрейфуют", сталкиваясь с атомами, Друде получил правильную величину электропроводности металлов при комнатных температурах, а также объяснил связь электро- и теплопроводностей (Видемана — Франца закон). Х. Лоренц развил идею Друде, применив к электронному газу кинетическую теорию газов. Однако построенная на применении законов классической механики и статистики строгая теория Друде — Лоренца оказалась более уязвимой при сопоставлении с экспериментом, чем её примитивный вариант. Помимо того, что её выводы не соответствовали температурной зависимости электропроводности, она не могла объяснить, почему электронный газ не влияет на теплоёмкость металлов (не наблюдалось заметного отклонения теплоёмкости металлов от Дюлонга и Пти закона, справедливого как для металлов, так и для неметаллов). Не находила объяснения также величина парамагнитной восприимчивости металлов, значительно меньшая, чем предсказывала теория, и её независимость от температуры.

В 1927—28 В. Паули и А. Зоммерфельд объяснили "аномалии" парамагнитной восприимчивости и теплоёмкости тем, что доля электронов, участвующих в переносе электрического заряда и тепла и ответственных за спиновый парамагнетизм, очень мала. Основная же часть электронного газа при обычных температурах находится в вырожденном состоянии, при котором она не реагирует на изменение температуры (см. Вырожденный газ). Эти работы легли в основу современной электронной теории металлов. В 1930 Л. Ландау показал, что диамагнетизм металлов обусловлен орбитальным движением этих же электронов и составляет ¹/₃ спинового парамагнетизма. В магнитных полях и при низких температурах он может проявляться в виде сложной периодической зависимости магнитного момента от поля. Квантовые осцилляции магнитной восприимчивости и электросопротивления в магнитном поле были затем обнаружены экспериментально (см. Де Хааза — ван Альфена эффект).

В 1929—30 Ф. Блох и Л. Бриллюэн рассмотрели влияние периодического поля кристаллической решётки на электронный газ. Это позволило объяснить, например, длину свободного пробега электронов в металле, намного превышающую среднее расстояние между атомами, и привело к созданию зонной теории твёрдых тел. Для металла определяющим является наличие незаполненной энергетической зоны, через которую проходит Ферми поверхность. Теплопроводность, электропроводность и многие др. свойства металлов определяются электронами именно этой зоны (электронами проводимости). Исследуя отклик металла на воздействие статических и переменных электрических и магнитных полей (квантовые осцилляции, гальваномагнитные явления, магнитоакустический эффект, циклотронный резонанс и др.), находят для электронов закон дисперсии (зависимость энергии от импульса). В совокупности с данными об энергетическом спектре электронов (получаемых, например, из эмиссионных рентгеновских спектров) это даёт достаточно полное представление об электронах в металле.

Изучение самой решётки также важно, т.к. её особенности определяют такие свойства металлов, как теплоёмкость и электропроводность. Методы электронографии, рентгенографии и нейтронографии позволили расшифровать атомную и магнитную структуры металлов, а также исследовать тепловые колебания кристаллической решётки. Резонансные методы (ЭПР, ЯМР, Мёссбауэра эффект)сделали возможным изучение локальных внутрикристаллических магнитных и электрических полей в металлах (см. Кристаллическое поле).

Применение к электронам в металле теории обменного взаимодействия (В. Гейзенберг, П. Дирак, 1927) позволило понять природу ферромагнетизма и обнаружить новые магнитоупорядоченные состояния металла — антиферромагнетизм (Л. Неель, 1932) и ферримагнетизм. Исследование взаимодействия электронов друг с другом и с решёткой позволило раскрыть природу сверхпроводимости (Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, 1957). Изучение нормальных, сверхпроводящих и магнитоупорядоченных (ферро-, антиферро- и ферримагнитных) металлов — три основных направления микроскопической теории металлов.

Теория дефектов. Дефекты в кристаллах влияют практически на все свойства металлов. Влияние дефектов начали изучать в 40-е годы в связи с изучением диффузии и пластической деформации (см. Пластичность). Центральное место в теории дефектов занимает представление о дислокациях, перемещение которых объясняет пластические деформации кристаллов. Эти представления появились в работах ряда исследователей (Л. Прандтль, 1928, Ю. Делингер, 1929, Е. Орован, М. Поляни, У. Тейлор, 1934, Я. И. Френкель, 1938) вследствие невозможности объяснить малое сопротивление деформации в рамках микроскопической теории идеального кристалла, дававшей оценку, в десятки тыс. раз превосходящую наблюдаемые величины. Исследования дислокаций (в т. ч. с помощью электронного микроскопа и рентгеновской топографии) в сочетании с теоретическими исследованиями в 50—60-е гг. позволили объяснить большинство механических свойств металлов. Например, предел текучести и деформационное старение металлов объясняются упругим взаимодействием дислокаций с примесными атомами; деформационное упрочение — дислокационными скоплениями (Н. Ф. Мотт, Ж. Фридель, А. Зегер и др.); процессы полигонизации (разбиения деформированных монокристаллов на блоки) — дислокационной структурой границ зёрен (В. Рид, У. Шокли, Ф. Франк и др.).

Рождение и перемещение точечных дефектов приводят к образованию дислокации и, кроме того, играют самостоятельную роль в процессах диффузии, самодиффузии и связанных с ними явлениях. Т. о., совокупность дефектов в кристалле, образующая его дефектную структуру, определяет многие свойства реального металла. Это относится не только к механическим свойствам. Рассеяние электронов и фононов на дефектах может играть важную роль во многих кинетических явлениях в металлах. Изучение влияния дефектов на физические свойства — быстро развивающаяся область современной М.

Сплавы. Гетерофазные структуры. Способность образовывать твёрдые растворы и сплавы — одно из важнейших свойств металлов, обеспечивающее им широкое применение. Теория сплавов — старейшее направление М., развитие которого тесно связано с проблемами практического металловедения.

Явление полиморфизма широко используется на практике для придания металлическим материалам желательных свойств путём термической обработки. Полиморфное превращение приводит к коренному изменению всех физических свойств металла (нередко при этом происходит превращение металла в неметалл). Важное направление в М. — изучение полиморфных модификаций, возникающих в условиях высоких давлений, сверхсильных магнитных полей и т.п. Исследование областей устойчивости различных полиморфных фаз в зависимости от внешних условий (температуры, давления, полей), а для сплавов также от концентрации позволяет построить диаграммы состояния.

Теория фаз, начавшая развиваться ещё в 19 в., рассматривает фазовые равновесия, фазовые превращения, а также структуру и свойства гетерофазных систем. Превращение одной (фазы в другую, как правило, происходит путём образования в исходной фазе отдельных кристаллов новой фазы, которые растут, взаимодействуют и образуют сложную гетерофазную систему (см. Двойные системы). Форма, размер и взаимное расположение кристаллов определяют гетерофазную структуру реального металла. Регулируя гетерофазную структуру, можно изменять свойства металлических материалов. При этом свойства гетерофазной системы могут не сводиться к "сумме свойств" отдельных фаз. Такая неаддитивность свойств связана с наличием межфазных границ, удельный объём которых в мелкодисперсных системах может быть достаточно велик, а также со значительным искажением фаз из-за их упругого взаимодействия. Влияние упругого взаимодействия фаз наиболее полно проявляется при фазовых превращениях мартенситного типа, когда не меняются ни состав, ни степень порядка, а фазы отличаются только положением узлов кристаллических решёток. Физическая природа мартенситных превращений исследовалась в работах Г. В. Курдюмова с сотрудниками (см. также Мартенсит).

Изучение эволюции гетерофазной системы во времени при различных внешних условиях, т. е. кинетики фазового превращения, позволяет судить о промежуточных состояниях гетерофазной структуры, которые возникают в процессе превращения и затем могут достаточно долго сохраняться, если изменение внешних условий "замораживает" превращение. Примером такой неравновесной гетерофазной структуры служат поликристаллы, размер зёрен которых определяется скоростью зарождения и роста зёрен в процессе кристаллизации. Вследствие упругого взаимодействия между фазами часто образуются многофазные метастабильные состояния, характеризующиеся регулярным пространственным расположением фаз.

Т. о., строение реальных металлов характеризуется наличием трёх структур различного масштаба: микроскопической (атомно-кристаллической), дефектной и гетерофазной. Между различными "этажами" этой "иерархии" структур существует тесная взаимосвязь, однако различие в масштабах оправдывает исторически сложившееся различие в методах их экспериментальное и теоретическое изучения. С этим связано существование трёх направлений М.: микроскопическая теория металлов, исследования дефектов и их влияния на свойства металлов, изучение фаз и гетерофазных металлических материалов, которые с различных сторон решают общую проблему М. — связь физических свойств металла и наблюдающихся в нём явлений с его строением и зависимость внутреннего строения металлов от внешних условий.

Лит. см. при ст. Металлы.

Ю. А. Осипьян, А. Л. Ройтбурд.