Металлические жидкости

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное государственное  образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Сибирский государственный  индустриальный университет»

 

Кафедра материаловедения и технологии новых материалов

 

 

 

Реферат

«Металлические жидкости»

 

 

                                                                 

 

 

 

 

                                                                  Выполнил:

                                                                           

                                                                        Проверил:

                                                                          

 

 

 

Новокузнецк

2013

Содержание

 

Введение                                                                                                           3

Жидкие  металлы                                                                                              4

Различия  между жидкими и твердыми металлами                                     20

Заключение                                                                                                     25                                       

Список используемой литературы                                                               26

Приложение                                                                                                    27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Свойства, характеризующие жидкие металлы как жидкость, можно адекватно объяснить с помощью классической кинетической теории, но их металлические свойства могут быть поняты лишь на основе современной квантовой теории.

Каждый знает, как твердый металл превратить в жидкий: металл надо нагреть и он расплавится. Но что означает само понятие «жидкий металл»? Какие свойства такого, например, вещества, как ртуть (которая при комнатной температуре уже расплавлена), отвечают жидкости, а какие — соответствуют металлам?

Удивителен тот факт, что до недавнего времени столь своеобразному конденсированному состоянию вещества, каким являются жидкие металлы, уделялось сравнительно мало внимания. В конце 1966 г. в Брукхей- венской национальной лаборатории состоялась международная конференция, посвященная свойствам жидких металлов. Труды конференции заняли более 600 страниц. Очевидно, жидкие металлы начинают привлекать большое внимание. При создавшейся ситуации полезно, по-видимому, выяснить, чем интересны для нас жидкие металлы и в какой степени в настоящее время нам понятны их свойства как жидкости и как металла. Попытаемся осветить все эти вопросы.

 

 

 

 

 

 

                                       Жидкие металлы

 

Прежде всего необходимо остановиться на более общих вопросах, включающих микроскопическую структуру и микроскопическую динамику жидкостей, а также природу сил взаимодействия между атомами или ионами в жидкости. Соответствующая информация будет связана, в частности, со свойствами содержащихся в жидком металле «свободных» электронов. После этого мы сможем рассмотреть другие зависящие от свободных электронов свойства жидких металлов. И, наконец, мы сравним некоторые простые физические свойства жидких металлов со свойствами других жидкостей и других металлов.

Твердый металл можно грубо определить как непрозрачное ковкое, с характерным блеском вещество, обладающее высокой теплопроводностью и электропроводностью. Жидкие металлы также в основном подходят под это определение, хотя (мы не говорим, конечно, о ковкости) все перечисленные свойства выражены у них в меньшей степени, чем у твердых металлов.

       Интересно отметить, что существуют элементы, которые обнаруживают металлические свойства только в жидком состоянии. Например, кремний и германий являются вполне хорошими металлами (почти такими же хорошими, как ртуть) в расплавленном состоянии, но в кристаллической фазе они — полупроводники. В общей сложности 70 элементов классифицированы как металлы (Рис.1). Все они остаются металлами и в расплавленном виде; сплавы или смеси многих металлов также являются металлами. Все они в той или иной степени характеризуются высокой концентрацией электронов проводимости, которые фактически ответственны за их металлические свойства.

Проще всего, по-видимому, начать сравнение жидкого металла  с «обычной» жидкостью вроде  воды с рассмотрения концентрации частиц вблизи их точек плавления. При 4°  С один кубический сантиметр воды содержит около 3,4-10²² молекул. При - 38° С соответствующая концентрация частиц для ртути (которая в 13,6 раза плотнее воды) равна 4,1 -10²² ион/см³. Эти два значения удивительно близки. Можно привести другие примеры, помимо воды и ртути. Приблизительное постоянство концентрации частиц большинства жидкостей является хорошо установленным и существенным фактом. Отсюда легко можно прийти к заключению, что в любой жидкости атомы в среднем расположены на расстояниях, равных лишь двум или трем ангстремам (1 А = 10~⁸ см).

Как правило, в процессе плавления не наблюдается больших  изменений объема (около 3% или меньше). Отсюда можно сделать вывод, что концентрации частиц у твердых веществ и жидкостей также должны совпадать. Несмотря на то, что такое совпадение имеет место, структура твердых металлов весьма существенно отличается от структуры жидких металлов. Твердые металлы стремятся кристаллизоваться, причем их атомы «в среднем» располагаются в узлах правильной трехмерной решетки (Рис.2). Мы должны были добавить оговорку «в среднем», поскольку даже при очень низких температурах атомы в твердых телах колеблются около узлов решетки, причем при увеличении температуры их отклонения увеличиваются.

В расплавленном металле  не наблюдается такого четкого микроскопического упорядочения; атомы жидкого металла не располагаются в фиксированных точках пространства, а движутся, по-видимому, хаотическим образом (рис. 3). Однако атомы в жидкости движутся не абсолютно независимо от соседних атомов. Их движение затруднено в результате наличия значительных межатомных сил. Перемещения атомов взаимосвязаны, поскольку смещение одного атома оказывает влияние на соседние атомы (и наоборот). Если бы мы имели микроскоп, с помощью которого можно видеть отдельные атомы, то различие между твердым веществом и жидкостью было бы заметно очень четко: в образце твердого металла конфигурация атомов выглядела бы очень симметричной; в жидком же металле в среднем никакой симметрии наблюдаться не должно.

Что же должна сказать  вездесущая кинетическая теория вещества о свойствах такой неупорядоченной структуры? Эта теория, развитая в основном в XIX веке, необычайно успешно была применена к газам, причем даже теперь в кинетической теории газов требуются лишь незначительные модификации первоначальных результатов. Теория применялась также с переменным успехом для изучения жидкостей, и, как мы увидим, она может быть весьма полезной при сравнении жидких металлов с другими жидкостями.

Газы, конечно, относительно разрежены и при атмосферном  давлении имеют концентрацию порядка 10¹⁹ частица/см³. Это означает, что в среднем в газе расстояния между атомами в 10 раз больше, чем в жидкости.

Тот факт, что расстояния между атомами газа много больше атомных диаметров (величина которых  порядка нескольких ангстрем), является основой успеха кинетической теории газов.

Кристаллические твердые  вещества являются полной противоположностью газам. Мы теперь знаем, что многие свойства твердых тел прекрасно описываются с помощью квантовой механики. Свойство твердых веществ кристаллизоваться в правильные решетки послужило основой при создании теории твердого состояния; периодичность атомной конфигурации, пожалуй, более чем что-либо другое, дала возможность необычайно успешно развить за последние десятилетия физику твердого тела.

По сравнению с кинетической теорией газов и с современной  теорией твердого тела теория жидкого  состояния все еще находится  в младенческом состоянии. Здесь нет упрощающих моментов, сравнимых с теми, которые вытекают либо из относительной разреженности атомов в газе, либо из периодичности расположения атомов в твердом теле. Поэтому-то жидкие металлы и представляют интерес во многих отношениях. Они ставят перед физиками нерешенную еще проблему: как описать плотные неупорядоченные системы и каково поведение «свободных» электронов в этих системах.

Чтобы четко увидеть  сложность первой из этих проблем, рассмотрим следующий аналог жидкого состояния. Предположим, что все жители Земли (в количестве около трех миллиардов) должны собраться на плоском квадратном участке, сторона которого равна 25 милям. Как это ни удивительно, но оказывается, что в среднем каждый человек находился бы на расстоянии вытянутой руки от своего ближайшего соседа. Каждому человеку дано одно указание: двигаться непрерывно, по возможности

быстро, в произвольном направлении. Очевидно, что в результате образуется хаос. Люди будут вертеться вокруг в ажиотаже, пытаясь (но безуспешно) избежать столкновений друг с другом. Эта картина, за исключением отсутствия третьего измерения, приближенно напоминает хаотическое движение большого числа атомов в жидкости. Как же можно анализировать такое движение?

Начнем с воображаемой фотографии жидкости, на которой все  атомы остановились в определенных точках пространства. Положение каждой такой точки характеризуется вектором r. Все векторы имеют начало в некоторой произвольной точке пространства (рис. 4). Конкретизируя

значения всех этих векторов, мы приходим к определенной конфигурации системы. Рассматривая картину в разные моменты времени, мы отмечаем, что тепловое движение атомов приводит к тому, что их положения все время флуктуируют. С какой скоростью движутся атомы?

Из элементарных рассуждений  с использованием выражения для  кинетической энергии атома следует, что средняя скорость атома в  жидкости равна приближенно 1000 м/сек. Как указывалось выше, это движение не является равномерным и прямолинейным в силу наличия соседних атомов. Каждый атом (или ион в случае жидкого металла) движется в «клетке», образованной его ближайшими соседями. Перемещение каждой частицы в некотором роде подобно гармоническому осциллятору, центр которого (в нашем случае центр «клетки») находится в движении (рис. 5).

Мы можем легко оценить  размеры клетки; ее объем должен приближенно равняться среднему объему, занимаемому атомом в жидкости. Его легко вычислить, зная массу атома, плотность жидкости и число Авогадро (число молекул в грамм-молекуле жидкости). При плотностях металлов радиус клетки равен примерно одному или двум ангстремам. Это означает, что атомы можно рассматривать осциллирующими в «клетке» с частотой около 10¹³ гц. Таким образом, за каждую секунду атом совершает 10¹³ попыток изменить свое положение.

Из таких рассуждений  следуют по крайней мере два существенных вывода. Первый связан с принципом, используемым при вычислениях свойств жидкостей, включающих и жидкие металлы. Предположим, что мы проводим измерения какого-либо характеристического свойства жидкого металла, например, его электрического сопротивления. Измерение сопротивления образца обычно производится в течение макроскопического времени (скажем, порядка секунд). По сравнению с периодом атомных осцилляций (около 10^-13 сек) эти измерения занимают невероятно большой промежуток времени, в течение которого жидкость проходит через очень большое количество различных конфигураций. В результате движение ионов в жидкости усредняется, и именно это «усреднение по конфигурациям» позволило добиться успеха в изучении жидкого состояния.

Второе следствие, обусловленное  большой скоростью атомного движения в жидкости, заключается в тенденции соседних атомов (т. е. атомов, образующих «клетку») двигаться или диффундировать. В жидкостях действительно наблюдаются крупномасштабные движения атомов, в то время как в твердых телах такие движения (не говоря о наблюдениях в течении огромного промежутка времени) подавлены связями в решетке.

Хотя заключенный в «клетку» ион имеет около 10¹³ шансов в секунду изменить свое положение, из экспериментов по дифракции нейтронов в жидкостях мы знаем, что перемещение иона происходит примерно лишь один раз из десяти попыток. Это означает, что в течение короткого отрезка времени (порядка 10^-13 сек) ионы фактически локализованы около некоторых фиксированных положений, вблизи которых они совершают несколько колебаний, прежде чем перейти в другое положение. В рамках такой временной шкалы можно фактически говорить о некоторой геометрической структуре жидкости. Эта структура не является регулярной в том же смысле, как это можно сказать о кристалле, но английский физик Дж. Д. Бернал показал, что во множестве геометрических конфигураций ионов можно заметить определенный порядок. Однако картина, отвечающая наблюдению за более длительный отрезок времени, представляет собой атомный хаос.

Неупорядоченное движение атомов в  объеме жидкости является одним из требований кинетической теории, к которой мы снова обращаемся. Одним из положений этой теории служит концепция «средней длины свободного пробега», впервые введенная Рудольфом Клаузиусом в 1857 г. с целью описания среднего расстояния, проходимого атомом между столкновениями друг с другом (рис. 6). В газе соударение атомов рассматривалось как упругий процесс, напоминающий соударение двух бильярдных шаров (конечно, в трехмерном пространстве). Средняя длина свободного пробега атома в газе при нормальном давлении составляет несколько сотен ангстрем. В жидкости эта длина составляет лишь несколько ангстрем. Для атомов, всегда находящихся близко друг от друга, само понятие средней длины свободного пробега несколько теряет свой смысл. Эта концепция, однако, дает нам возможность провести сравнение простых свойств жидких металлов и обычных непроводящих «классических» жидкостей.

Другой важный параметр кинетической теории — концентрация и средняя  квадратичная скорость атомов. Концентрация, как мы видели, мало изменяется при переходе от одной жидкости к другой (и является примерно постоянной для конденсированного состояния в целом). Среднюю квадратичную скорость можно оценить по внутренней энергии атомов, и она зависит в основном от атомной массы и от температуры. Таким образом, мы приходим к необходимости вычисления средней длины свободного пробега атома — величины, которая, по определению, зависит от природы атомных соударений.