Модель твердого тела

Определение температурного коэффициента линейного расширения твердых тел (металлов)

Колебания атомов кристаллической решетки твердых тел

Модель твердого тела

Известен экспериментальный факт, что во время нагревания твердые тела расширяются. В чем причина изменения объема тела? Объем тела будет возрастать, если расстояние между атомами в кристаллической решетке увеличивается. Чтобы объяснить тепловое расширение твердых тел обратимся к графику зависимости энергии взаимодействия атомов от расстояния между ними. Для этого можно обратиться к механической модели твердого тела. Движение структурных единиц (атомов, ионов, молекул) в твердом теле сводится к колебаниям вблизи фиксированных положений равновесия. Силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) моделируются силами упругой деформации пружинок (рис.1).

	Рис. 1. Ячейка простейшей кристаллической решетки. d - постоянная решетки.
	Рис.2. Энергия взаимодействия атома как функция его расстояния от соседних атомов. 1 - энергия сил электростатического отталкивания атомов. 2 - энергия сил притяжения атомов. 3 - суммарная потенциальная энергия взаимодействия атомов. В начале координат помещается один из атомов.

При r=d потенциальная энергия имеет минимум, за нуль принята энергия на бесконечности. Задание сил и вычисление энергии частиц представляет сложную задачу, решаемую методами квантовой механики. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся простейшими моделями.

Силы межатомного сцепления имеют электромагнитную природу. Однако электромагнитное взаимодействие в силу волновых свойств электронов и их тождественности принимает специфическую форму обменного взаимодействия, которое отличается от классического электромагнитного взаимодействия.