120,6 тыс подписчиков

Что определяет физические свойства?

6 октября 20216 окт 2021

269

4 мин

Оглавление

Решетка и способность к теплопроводности
Решетка и способность к электрической проводимости
Температура плавления

Прежде, чем начать обсуждать основной вопрос статьи, вспомним, что металлы в обычном состоянии преимущественно имеют кристаллическую решетку. Это так называемая металлическая решетка, где в узлах находятся ионы, а вокруг них существуют электронные облака, которые и осуществляют связь атомов друг с другом, порождая металлическую связь.

Сама кристаллическая решетка - это мнимая характеристика. Её, в общем-то, и не существует. Зато существует некоторая закономерность во внутреннем расположении частиц, которую и называют решеткой. Если выделить минимальный объем, то из таких минимальных объемов со стандартной характеристикой металл будет построен как дом из кирпичей. При наблюдении было выявлено, что у каких-то металлов эта решетка такая-то, а у каких-то другая.

У решетки есть ряд основных параметров: расстояние между узлами решетки, плотность упаковки, количество атомов на единицу объема, взаимное расположение атомов. Исходя из этого выделяют и разные типы решеток: ОЦК, ГЦК, ГПУ.

Но что определяет это взаимное расположение и куча малопонятных параметров? Для чего мы всё это изучаем и почему курс материаловедения начинается именно с этого? Разве может всё это на что-то влиять!? Конечно может!

Атомы не просто расположены определенным образом. Это расположение оказывает принципиальное влияние на физику всех протекающих процессов.

Решетка и способность к теплопроводности

От типа решетки и её параметров зависит способность к теплопроводности. Чем ближе атомы в узлах решетки будут друг к другу тем и легче будет передавать энергию. Ведь энергия передается ударами и физическими взаимодействиями частиц. Чем меньше параметр решетки и чем ближе частицы будут друг к другу, тем легче передаётся тепловая энергия внутри образца. Получается, что металл с оптимальными параметрами решетки будет лучше проводить тепло, нежели другой.

Это легко продемонстрировать на примере. Скажем, возьмем медь и сталь. У меди кубическая гранецентрированная решетка. У большинства сталей без обработок решетка объемно-центрированная. Атомы в решетке меди расположены ближе, чем у решетки железных сплавов. При этом получается, что этих атомов у меди ещё и побольше в единице объема. Вот и выходит, что описание решетки позволило предсказать способность к теплопроводности.

Решетка и способность к электрической проводимости

От типа решетки зависит и способность к электрической проводимости. В общем-то, этот механизм близок к механизму теплопроводности. Электрический ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Чем больше таких частиц, тем лучше будет проводимость. Электроны мигрируют в направлении, указанном электрическим полем и заодно толкают друг друга (механизм прохождения электрического тока пока полностью не описан и допускаются оба варианта).

Но помимо количества частиц, важно ещё оценить взаимное расположение узлов решетки и расстояние между ними. Эти параметры должны позволять частичкам свободно двигаться внутри структуры и передавать заряд. Всё это можно узнать, изучив

Температура плавления

Есть ещё одно свойство, которое зависит от характеристик решетки. Это температура плавления. Чем больше температура плавления, тем большее количество энергии нужно сообщить образцу, чтобы расплавить этот образец. Но на что расходуется эта энергия? А расходуется она на разрушение внутренних связей в этой решетке.

Если взять тугоплавкий вольфрам или легкоплавкий свинец, то мы увидим, что у вольфрама близкое электронное строение атомов. В межатомных связях участвуют не только наружные s-электроны, но и d-электроны, что определяет большую прочность межатомных связей и, как следствие, высокую температуру плавления.

Но это бы было невозможно, имей вольфрам такую же кристаллическую решетку, как имеет свинец. Ведь важно расстояние между атомами.

Что из этого следует?

Всё довольно логично. Если мы знаем все параметры решетки, мы можем определить причину существования того или иного физического свойства. А это, в свою очередь, означает, что можно будет управлять этими свойствами, модифицируя и структурируя известные параметры. Именно поэтому очень важно изучить основы строения материала. И как раз поэтому курс материаловедения начинается с изучения основ кристаллического строения.

Помимо обозначенных физических свойств, есть ещё и другие свойства, которые, конечно же, тоже зависят от кристаллической структуры материала. Это и сопротивление, и проницаемость для радиации, и прочие стандартные свойства. Решетка оказывает влияние и на механические свойства. Потому знания нам эти очень важны!