17. Упругие, пластические и механические свойства твердых тел

Механические свойства относятся к числу наиболее наглядных свойств физических объектов. Твердые тела получили свое название именно по наличию у них четко определяемых механических характеристик, таких как упругость, прочность, твердость и пластичность. Реакция твердого тела на механическое воздействие (сжатие, растяжение, изгиб, удар) определяется силами взаимодействия между атомами, выстроенными в кристаллическую решетку, т. е. в конечном итоге геометрией кристаллической решетки и ее дефектами. В силу разнообразия видов кристаллической решетки механические свойства твердых тел весьма различны. При незначительных статических нагрузках у всех твердых тел наблюдается линейная зависимость между напряжением и деформацией. Это закон Гука (1678 г.):

Все реальные твердые тела под действием внешних сил изменяют форму и размеры- происходит деформация твердого тела. При деформации происходит смещение частиц (атомов, ионов, молекул), расположенных в узлах кристаллической решетки, из положений равновесия, хотя этому и препятствуют силы межмолекулярного взаимодействия. В случае кристаллов при деформации слоя кристалла сдвигаются друг относительно друга, и при этом происходит движение дислокаций.

Пластичность свойство твёрдых тел необратимо изменять свои размеры и форму (т. е. пластическидеформироваться) под действием механических нагрузок. П. кристаллических тел (или материалов) связана сдействием различных микроскопических механизмов пластической деформации, относительная роль каждогоиз которых определяется внешними условиями: температурой, нагрузкой, скоростью деформирования. Этимеханизмы рассмотрены в порядке увеличения числа атомов, участвующих в элементарном актепластической деформации.

18.Сверхтекучесть, классические и квантовые жидкости

Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяние энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

В 1937 году Петр Леонидович Капица обнаружил у гелия парадоксальное свойство: при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, жидкий гелий не только не становится твердым, но теряет вязкость, переходя в состояние сверхтекучести. Абсолютный нуль - температура, при которой хаотическое движение атомов прекращается. Следовательно, при абсолютном нуле все тела должны быть твердыми. Жидкий гелий - единственное вещество, которое не затвердевает при абсолютном нуле.

Ква́нтовая жи́дкость — жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Вблизи абсолютного нуля согласно представлениям классической физики, движение атомов должно останавливаться и вещество должно превращаться в кристалл, чего не происходит с некоторыми веществами с малой атомной массой, большой нулевой энергией (и, соответственно, значительными нулевыми колебаниями) и слабым взаимодействием между атомами — то, что они остаются жидкостями, обусловлено квантовыми эффектами, препятствующими образованию кристаллической решётки — при нормальном давлении гелий остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля, кристаллический гелий можно получить только при повышенном до 25 атмосфер давлении. Жидкость становится квантовой тогда, когда тепловая длина волны де Бройля её частиц становится сравнимой с расстоянием между ними (происходит квантовое вырождение жидкости. В зависимости от того, бозонами или фермионами являются составляющие жидкость частицы, жидкости называются соответственно бозонными или фермионными (бозе-жидкость или ферми-жидкость).

Квантовые жидкости были открыты Петром Капицей и Джоном Алленом в 1938 году. В принципе электроны в металлах и полупроводниках, экситоны в диэлектриках и нуклоны в атомных ядрах образуют квантовые жидкости, однако классическими примерами таких жидкостей считаются жидкие гелий-4 и гелий-3, являющиеся соответственно бозонной жидкостью и фермионной жидкостью.

Сверхтекучие жидкости содержат бозе-конденсат составляющих их частиц, причём он описывается макроскопической волновой функцией.