Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Часть первая. ТЕОРИЯ СПЛАВОВГлава I. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ1. МеталлыМеталловедение — наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства. Теоретическими основами металловедения являются такие науки, как кристаллография, физика твердого тела, физическая химия. В свою очередь на металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности и др. Приступая к изучению металловедения, прежде всего необходимо ответить на вопрос: что такое металл? Еще М. В. Ломоносов определял металлы, как «светлые тела, которые ковать можно». Это простейшее определение не потеряло своего значения и сейчас. Однако более типичными, характерными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло- и электропроводность, увеличивающаяся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления Отмеченные свойства металлов обусловлены их электронным строением. В металлах электроны, находящиеся на внешних оболочках (валентные электроны), не связаны с определенными атомами, а оторваны от них и принадлежат всему куску металла в целом. Такие электроны называют обычно электронами проводимости (или, по Френкелю, коллективизированными электронами), так как они способны легко ускоряться во внешнем электрическом поле и их упорядоченное движение обуславливает протекание электрического тока, т. е. электропроводность. Плотность электронов проводимости силы взаимного электростатического отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле, т. е. металлическую связь. В металлах электроны проводимости есть всегда в отличие от полупроводников, где они появляются только при определенных воздействиях (например, температуры, освещения). Более точно позволяет описать металлическое состояние современная квантовая теория твердого тела. Как известно, электроны в изолированном атоме располагаются на дискретных энергетических уровнях (оболочках), например в металлическом натрии
Рис. 1. Относительная вероятность пребывания электронов различных уровней в металлическом натрии (схема дана только для самых внутренних
Рис. 2. Схема образования энергетических зон в твердом теле Так уровню обладающего Ферми-поверхностью наиболее фундаментальное. Построение Ферми-поверхностей и их изучение — важная область физики металлов. Ферми-поверхности рассчитываются теоретически и определяются экспериментально главным образом по анализу поведения электронов металла в магнитных полях. Для второй группы твердых тел характерно отсутствие частично заполненных зон: над целиком заполненной зоной (она называется валентной) располагается пустая, т. е. не занятая электронами — зона проводимости. Эти две зоны разделены запрещенной зоной. У диэлектриков ширина запрещенной зоны значительна (более 3 эВ) и приложение электрического поля не может вызвать электрического тока, так как для преодоления широкой запрещенной зоны электронам, чтобы попасть из валентной зоны в зону проводимости, нужна очень большая энергия. В полупроводниках запрещенная зона гораздо уже, чем в диэлектриках (менее 1 эВ) и при получении достаточной для преодоления запрещенной зоны энергии электроны «перескакивают» в верхнюю зону проводимости, где могут легко ускоряться под влиянием электрического поля, создавая электрический ток. Эта дополнительная энергия может быть получена, например, путем повышения температуры, что и объясняет увеличение электропроводности у полупроводников с ростом температуры. По сравнению с полупроводниками у металлов даже при О К наблюдается большая электропроводность, а ее снижение при нагреве вызвано рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, а также на нарушениях правильного периодического расположения атомов в кристаллической решетке (т. е. на дефектах решетки — см. п.4). Наличие некоторого (остаточного) электросопротивления у металлов при 0 К как раз и вызвано дефектами решетки. Однако в ряде металлов
Рис. 3. Схема энергетической зонной структуры твердых тел (зоны, занятые электронами, заштрихованы): а — металл Из известных
|
1 |
Оглавление
|