МЕТАЛЛОФИЗИКА

МЕТАЛЛОФИЗИКА, раздел физики, изучающий строение и свойства металлов. Как и физика диэлектриков и полупроводников, М. является составной частью физики твёрдого тела. Совр. М. представляет собой синтез микроскопич. теории, объясняющей свойства металлов особенностями их атомного строения, и теоретич. металловедения, использующего макроскопич. методы термодинамики, механики сплошных сред и др. для исследования строения и свойств реальных металлич. материалов. Широкое использование металлов привело к тому, что их основные физ. и хим. свойства были изучены ещё в 19 в. Однако природа этих свойств це могла быть понята без развития представлений об атомном строении вещества.

Микроскопическая теория металлов начала развиваться в 20 в. В 1900 П. пруде предложил модель металла, в к-рой электропроводность осуществлялась потоком "электронного газа", заполняющего промежутки между атомами. Полагая, что электронный газ находится в тепловом равновесии и что под действием приложенного электрич. поля электроны -"дрейфуют", сталкиваясь с атомами, Друде получил правильную величину электропроводности металлов при комнатных темп-pax, а также объяснил связь электро-и теплопроводностей (Видемана - Франца закон). X. Лоренц развил идею Друде, применив к электронному газу кинетич. теорию газов. Однако построенная на применении законов классич. 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 темп-ры.

В 1927-28 В. Паули и А. Зоммер-фельд объяснили "аномалии" парамагнитной восприимчивости и теплоёмкости тем, что доля электронов, участвующих в переносе электрич. заряда и тепла и ответственных за спиновый парамагнетизм, очень мала. Основная же часть электронного газа при обычных темп-рах находится в вырожденном состоянии, при к-ром она не реагирует на изменение темп-ры (см. Вырожденный газ). Эти работы легли в основу совр. электронной теории металлов. В 1930 Л. Ландау показал, что диамагнетизм металлов обусловлен орбитальным движением этих же электронов и составляет ⁴/з 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 периодич. поля кристаллич. решётки на электронный газ. Это позволило объяснить, напр., 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 энергетич. зоны, через к-рую проходит Ферми поверхность. Теплопроводность, электропроводность и мн. др. свойства металлов определяются электронами именно этой зоны (электронами проводимости). Исследуя отклик металла на воздействие статических и переменных электрич. и магнитных полей (квантовые осцилляции, гальваномагнитные явления, магнитоакустич. эффект, циклотронный резонанс и др.), находят для электронов закон дисперсии (зависимость энергии от импульса). В совокупности с данными об энергетич. спектре электронов (получаемых, напр., 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 кристаллич. решётки. Резонансные методы (ЭПР, ЯМР, Мёссбауэра эффект) сделали возможным изучение локальных внутрикристаллич. магнитных и электрич. полей в металлах (см. Кристаллическое поле).

Применение к электронам в металле теории обменного взаимодействия (В. Геизенберг, 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 ферримаг-нитных) металлов - три основных направления микроскопич. 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 пластин, деформации (см. Пластичность). Центральное место в теории дефектов занимает представление о дислокациях, перемещение к-рых объясняет пластич. деформации кристаллов. Эти представления появились в работах ряда исследователей (Л. Прандтлъ, 1928, Ю. Делингер, 1929, Е. Орован, М. Поляни, У.Тейлор, 1934, Я. И. Френкель, 1938) вследствие невозможности объяснить малое сопротивление деформации в рамках микроскопич. 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 теоретич. исследованиями в 50-60-е гг. позволили объяснить большинство механич. свойств металлов. Напр., 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 самостоят, 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 мн. кинетич. явлениях в металлах. Изучение влияния дефектов на физ. свойства - быстро развивающаяся область совр. 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 к-poro тесно связано с проблемами п р а к-тич. металловедения.

Явление полиморфизма широко используется на практике для придания металлич. материалам желательных свойств путём термин, обработки. Полиморфное превращение приводит к коренному изменению всех физ. 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 (темп-ры, 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 отд. кристаллов новой фазы, к-рые растут, взаимодействуют и образуют сложную гетерофазную систему (см. Двойные системы). Форма, размер и взаимное расположение кристаллов определяют  гетерофазную структуру реального металла. Регулируя гетерофазиую структуру, можно изменять свойства металлич. материалов. При этом свойства гетерофазной системы могут не сводиться к "сумме свойств" отд. фаз. Такая неаддитивность свойств связана с наличием межфазных границ, удельный объём к-рых в мелкодисперсных системах может быть достаточно велик, а также со значит, 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 кристаллич. решёток. Физ. 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, к-рые 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 к-рых определяется скоростью зарождения и роста зёрен в процессе кристаллизации. Вследствие упругого взаимодействия между фазами часто образуются многофазные метаста-бильные состояния, характеризующиеся регулярным пространств, 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 эксперимент, и теоретич. изучения. С этим связано существование трёх направлений М.: микроскопич. теория металлов, исследования дефектов и их влияния на свойства металлов, изучение фаз и гетерофазных металлич. материалов, к-рые 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. Осипъян, А. Л. Ройтбурд.