Калин Б.А. Физическое материаловедение. Том 1. Физика твердого тела

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В шести томах

Под общей редакцией Б. А. Калина

Том 1

Физика твердого тела

Рекомендовано ИМЕЕТ РАН в качестве учебника

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии»

Регистрационный номер рецензии ХХХ

от ХХ УУУУ 20007 г. МГУП

Москва 2007

УДК 620.22(075)

ББК 30.3я7

К17

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов./Под

общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2007.

ISBN 978-5-7262-0821-3

Том 1. Ф

ИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА / Г.Н. Елманов, А.Г. Залужный, В.И.

Скрытный, Е.А.Смирнов, В.Н. Яльцев – М.: МИФИ, 2007. – 636 с.

Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-том-

ное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой

материаловедческой подготовки, проводимой на 5–8 семестрах обучения

студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Московско-

го инженерно-физического института (государственного университета).

Том 1 содержит учебный материал по разделам физики конденсиро-

ванного состояния, изложенный в главах «Физическая кристаллография»,

«Дефекты кристаллической решетки» и «Физика твердого тела».

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специально-

сти «Физика конденсированного» состояния, и аспирантов, специализи-

рующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения,

и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов,

твердого тела и материаловедения.

Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной про-

граммы

ISBN 978-5-7262-0821-3

ISBN 978-5-7262-0822-0 (т.1)

(государственный университет), 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные условные обозначения и сокращения .......................... 7

Предисловие...................................................................................... 11

Предисловие к тому 1....................................................................... 13

Глава 1. ФИЗИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

1.1. Кристаллическое состояние .................................................. 15

1.1.1. Основные законы кристаллографии .......................... 15

1.1.2. Макроскопические и микроскопические

характеристики кристаллов...............................................17

1.1.3. Решетка и структура кристаллов ............................... 18

1.2. Основы кристаллографии ..................................................... 21

1.2.1. Кристаллографические проекции .............................. 21

1.2.2. Пространственная решетка ........................................ 37

1.2.3. Кристаллографические символы ................................ 40

1.2.4. Обратная решетка ........................................................ 46

1.2.5. Матрица ортогонального преобразования ................ 51

1.2.6. Преобразование индексов направлений и

плоскостей при изменении системы координат........ 54

1.2.7. Основные формулы структурной

кристаллографии ..........................................................56

1.2.8. Области Вороного, ячейки Вигнера-Зейтца, зоны

Бриллюэна..................................................................... 58

1.3. Симметрия кристаллов .......................................................... 59

1.3.1. Поворотные оси симметрии ....................................... 60

1.3.2. Инверсионные оси........................................................ 63

1.3.3. Зеркально-поворотные оси.......................................... 64

1.3.4. Элементы теории групп............................................... 65

1.3.5. Точечные группы симметрии ..................................... 68

1.3.6. Пространственные группы ......................................... 75

1.3.7. Предельные группы симметрии.................................. 82

1.4. Структура кристаллов ............................................................... 84

1.4.1. Плотнейшие упаковки в структурах........................... 85

1.4.2. Структурные типы кристаллов химических

элементов .....................................................................87

1.4.3. Структурные типы соединений типа АВ ................... 93

1.4.4. Структурные типы соединений типа АВ

.................. 96

1.4.5. Структурные типы соединений типа А

............ 97

1.4.6. Сверхструктуры в твердых растворах замещения ....97

1.4.7. Структура фуллеренов, фуллеритов и

квазикристаллов ........................................................... 100

1.4.8. Структура поверхности ............................................... 103

1.5. Физические свойства кристаллов...........................................105

1.5.1. Принцип симметрии в кристаллофизике .................. 106

1.5.2. Тензорное описание физических свойств

кристаллов .................................................................... 108

1.5.3. Влияние симметрии кристалла на его свойства,

описываемые тензорами второго ранга....................... 111

1.5.4. Упругие свойства кристаллов .................................... 113

1.5.5. Матричное представление группы ............................. 119

1.6. Кристаллография пластической деформации ....................... 122

1.6.1. Геометрия пластической деформации в

монокристаллах ............................................................ 122

1.6.2. Кристаллографическая текстура................................. 129

1.7. Кристаллография границ зерен .............................................. 132

1.7.1. Малоугловые границы................................................. 133

1.7.2. Высокоугловые границы ............................................. 134

1.8. Кристаллография мартенситных превращений .................... 137

1.8.1. Морфология мартенситных превращений................. 137

1.8.2. Кристаллография мартенситных превращений.........139

Контрольные вопросы, задачи и упражнения .............................. 142

Список использованной литературы............................................. 148

Глава 2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ

2.1. Точечные дефекты................................................................... 151

2.1.1. Вакансии и межузельные атомы................................. 152

2.1.2. Энергия образования точечных дефектов.................. 152

2.1.3. Комплексы точечных дефектов .................................171

2.1.4. Образование и отжиг точечных дефектов.................. 176

2.1.5. Получение высокой концентрации

точечных дефектов........................................................ 188

2.1.6. Экспериментальные методы наблюдения

и исследования точечных дефектов............................. 197

2.2. Дислокации............................................................................... 201

2.2.1. Основные типы дислокаций........................................ 201

2.2.2. Движение дислокаций ................................................. 209

2.2.3.Упругие свойства дислокаций ..................................... 230

2.2.4. Образование дислокаций............................................. 255

2.2.5. Дислокационные структуры........................................ 264

2.2.6. Дислокации в типичных кристаллических

структурах........................................................................... 278

2.2.7.Дислокационные реакции............................................. 296

Контрольные вопросы.................................................................... 304

Список использованной литературы............................................. 306

Глава 3. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

3.1. Строение атомов и межатомные взаимодействия................. 307

3.1.1. Классификация конденсированных систем................... 307

3.1.2. Электронное строение атомов

и периодическая система................................................. 308

3.1.3. Общая характеристика сил

межатомного взаимодействия ........................................ 330

3.1.4. Энергия связи кристаллов............................................... 331

3.1.5. Типы связи в твердых телах............................................332

3.2. Основы электронной теории кристаллов............................... 371

3.2.1. Квантовая теория свободных электронов...................... 372

3.2.2. Зонная теория металлов .................................................. 381

3.3. Теория фаз в сплавах ............................................................... 401

3.3.1. Классификация фаз в сплавах......................................... 401

3.3.2. Твердые растворы............................................................ 402

3.3.3. Промежуточные фазы...................................................... 414

3.4. Диффузия и кинетика фазовых превращений

в металлах и сплавах.................................................................. 421

3.4.1. Линейные феноменологические законы........................ 421

3.4.2. Макроскопическое описание явления диффузии..........429

3.4.3. Атомная теория диффузии в металлах........................... 439

3.4.4. Анализ Даркена в термодинамической

теории диффузии .............................................................. 464

3.4.5. Диффузия и фазовые превращения

в металлах и сплавах ........................................................ 473

3.5. Электрические свойства твердых тел .................................... 486

3.5.1. Основы электронной теории электропроводности.......486

3.5.2. Зависимость электропроводности металлов

от температуры ................................................................. 497

3.5.3. Эффект Холла .................................................................. 503

3.5.4. Связь электросопротивления со строением сплавов ....506

3.5.5. Влияние холодной деформации

на электросопротивление................................................. 509

3.5.6. Изменение электрических свойств при фазовых

превращениях......................................................................... 511

3.5.7. Сверхпроводимость......................................................... 513

3.6. Магнитные свойства твердых тел .......................................... 521

3.6.1. Основные определения. Классификация веществ

по магнитным свойствам................................................. 521

3.6.2. Магнитные свойства свободных атомов........................ 524

3.6.3. Физическая природа диамагнетизма.............................. 528

3.6.4. Физическая природа парамагнетизма ............................ 531

3.6.5. Магнитная восприимчивость слабых магнетиков ........538

3.6.6. Основы теории магнитного упорядочения.................... 540

3.6.7. Доменная структура ферромагнетиков.......................... 545

3.6.8. Магнитные свойства ферромагнетиков ......................... 550

3.6.9. Антиферромагнетики и ферримагнетики ...................... 557

3.7. Тепловые свойства твердых тел ............................................. 559

3.7.1. Понятия о нормальных колебаниях

кристаллической решетки и фононах ............................. 559

3.7.2. Теплоемкость кристаллических твердых тел................ 564

3.7.3. Теплопроводность твердых тел...................................... 585

3.7.4. Термическое расширение твердых тел .......................... 598

3.8. Упругие свойства твердых тел ............................................... 606

3.8.1. Основные характеристики упругости............................ 606

3.8.2. Упругость чистых металлов и сплавов.......................... 611

3.8.3. Ферромагнитная аномалия упругости ........................... 613

3.8.4. Общие сведения о релаксационных явлениях и их

механизмах........................................................................ 614

3.8.5. Внутреннее трение........................................................... 617

Контрольные вопросы ................................................................... 624

Список использованной литературы............................................. 626

Предметный указатель .....................................................................627

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

И СОКРАЩЕНИЯ

a – радиус боровской орбиты,

параметр решетки

, a

– векторы трансляций

– флуктуации параметров со-

стояния системы

– элемент матрицы

A – обменный интеграл

A(h) – амплитуда рассеянного

рентгеновского излучения

b – вектор Бюргерса, параметр

решетки

, b

– векторы обратной ре-

шетки

B – магнитная индукция

– энергия связи атома заме-

щения и вакансии

с – жесткость, параметр решетки

, C

– поворотные

оси симметрии

– концентрация i-го компонента

– концентрация вакансий,

изохорическая теплоемкость

– изобарическая теплоемкость

– упругие константы

– ширина дефекта упаковки

hkl

– межплоскостное расстояние

D – коэффициент самодиффузии

D – модуль всестороннего сжа-

тия, расстояние между дисло-

кациями в стенке

– коэффициент взаимной

диффузии

– коэффициент диффузии i-го

компонента

– коэффициент диффузии

вакансий

– удлинение, деформация

E – напряженность электрическо-

го поля, полная энергия элек-

трона

E(r) – потенциальная энергия

взаимодействия атомов ре-

шетки

– энергия связи на атом

– энергия Ферми

гр

– энергия малоугловой грани-

цы

сд

– энергия активации само-

диффузии

– энергия образования точеч-

ного дефекта

– энергия осциллятора

н.к

– энергия нормального коле-

бания

– энергия активации пере-

скока атома замещения на ме-

сто вакансии

– энергия активации мигра-

ции вакансии

E – энергия образования ва-

кансии

– энергия образования ди-

вакансии

ΔЕ – ширина энергетической

щели

f – функция распределения стати-

стики Ферми–Дирака, корре-

ляционный коэффициент

диффузии, удельная сила

F – сила

G – метрическая матрица

G – модуль сдвига, свободная

энергия атомов тела

g(ν) – частотный спектр

– элемент группы

h – постоянная Планка

(hkl) – индексы плоскости

{hkl} – кристаллографические

плоскости определенного ти-

па

Н – теплота сублимации

– энтальпия образования де-

фекта

hkl

– вектор обратной решетки

– энтальпия миграции дефек-

та

– критическое магнитное поле

коэр

– коэрцитивная сила

i – инверсионная ось симметрии,

межузельный атом

I – намагниченность, потенциал

ионизации

[mnp]

– период идентичности

нас

– намагниченность насыще-

ния

ост

– остаточная намагничен-

ность

J – диффузионный поток вещест-

ва

j – плотность электрического

тока

– поток компонента системы

– n-й потенциал ионизации

– критическая плотность тока

k – волновое число

k – постоянная Больцмана

K – коэффициент всестороннего

сжатия (сжимаемости), коэф-

фициент компактности

, K

– плоскости двойникова-

ния

l – средняя длина свободного

пробега

– длина свободного пробега

электронов с энергией Ферми

L – число Лоренца, механический

орбитальный момент

– феноменологические коэф-

фициенты Онзагера

m – масса

m – плоскость зеркального отра-

жения

эфф

– эффективная масса элек-

трона

[mnp] – индексы направлений

<mnp> – кристаллографические

направления определенного

типа

ат

– магнитный момент атома

– магнетон Бора

спин

– спиновый магнитный

момент

n – концентрация, состояние

электрона, число элементов в

группе

n, l, m

– главные, орбитальные и

магнитные квантовые числа

– концентрация фононов

N(Е) – плотность состояний элек-

тронов

p – давление, множитель повто-

ряемости, импульс, состояние

электрона

– импульс фонона

эл

– импульс электрона

– энергия активации атомар-

ной диффузии

–1

– внутреннее трение

R – электросопротивление

– линейная форма узла обрат-

ной решетки

– постоянная Холла

R(u,ϕ) – матрица поворота на

угол φ вокруг оси u

s – состояние электрона

– податливость

S – податливость, энтропия, спи-

новый момент

– энтропия образования дефекта

– энтропия миграции дефекта

t – время

пл

– температура плавления

– критическая температура

сверхпроводника

– элемент матрицы поворота

– смещение

U – потенциальная энергия элек-

трона

– энергии парной связи

v – скорость

– скорость Ферми

– скорость дрейфа электронов

зв

– скорость звука

V – объем

– атомный (мольный) объем

W – суммарная энергия релакса-

ции

– термодинамическая сила

z – координационное число

Z – валентность, число электро-

нов в атоме, число атомов в

элементарной ячейке

α – растворимость B в A, темпе-

ратурный коэффициент элек-

тросопротивлениия

β – коэффициент объемного тер-

мического расширения

γ – коэффициент электронной

теплоемкости, постоянная

Грюнайзена

ε – деформация

– энергия фонона

ξ – длина когерентности

η – вязкость

– температура Дебая

– температура Кюри

– температура Нееля

λ – глубина проникновения маг-

нитного поля в сверхпровод-

ник длина волны, теплопро-

водность

μ – относительная магнитная

проницаемость, химический

потенциал, подвижность, ко-

эффициент поглощения

ν – частота, коэффициент Пуас-

сона

– частота колебаний атома

ρ – удельное электросопротивле-

ние плотность

фон

– электросопротивление,

обусловленное рассеянием на

фононах

ρ(r) – электронная плотность

σ – удельная электропровод-

ность, напряжение, поверхно-

стная энергия, поверхностное

натяжение, скорость измене-

ния энтропии

фон

– электропроводность, обу-

словленная рассеянием на

фононах

τ – время релаксации, касатель-

ное напряжение

φ – текучесть

ϕ, ψ, θ – углы Эйлера

χ – объемная магнитная воспри-

имчивость, электроотрица-

тельность

– атомная магнитная воспри-

имчивость

ψ – волновая функция

ω – круговая частота

– тензор поворота

Ω – объем одного атома

Ш(r) – решеточная функция Ди-

рака

ГЛАГ – теория сверхпроводни-

ков Гинзбурга, Ландау, Абри-

косова, Горькова

ГПУ – гексагональная плотно-

упакованная структура

ГЦК – гранецентрированная ре-

шетка (структура)

к.ч. – координатное число

ОПФ – обратная полюсная фигура

ОЦК – объемно-центрированная

решетка (структура)

ППФ – прямая полюсная фигура

ПРН – полная решетка наложе-

ния

РСУ – решетка совпадающих

узлов

ФРО – функция распределения

ориентаций