Металлические жидкости

На основании вышесказанного можно прийти к следующему важному  заключению. Поскольку размеры атомов в периодической системе элементов не отличаются существенным образом друг от друга, соответствующие вероятности их столкновений примерно одинаковы. Отсюда следует, что длина свободного пробега, используемая в кинетической теории, должна очень мало меняться при переходе от классических непроводящих жидкостей к жидким металлам. Более того, после учета разницы атомных масс и температуры основные характерные для всех жидкостей свойства (такие, как вязкость, поверхностное натяжение и диффузия) должны быть примерно одинаковы. Это зачастую и имеет место, и в отношении этих свойств жидкие металлы не являются аномальными. Радикальное отличие жидких металлов от других жидкостей связано с такими свойствами, как теплопроводность, электропроводность, оптическая отражательная способность и сжимаемость. Эти свойства однозначно связаны со специфическими металлическими свойствами жидкого металла.

           Различия между жидкими и твердыми металлами

 

Чем, кроме очевидного изменения состояния, отличаются жидкие металлы от твердых? Подробный ответ  зависит, естественно, от того, какие  рассматриваются свойства, но, по общему впечатлению, различия невелики. Возьмем для примера изменение электросопротивления. При плавлении сопротивление металлического галлия увеличивается примерно вдвое, что не так уж много. В случае ртути и натрия изменения почти такие же.

Далее, электрический ток в металлах переносится в основном оторванными электронами; они двигаются под влиянием приложенных электромагнитных сил или температурных градиентов. Если на пути электронов не возникает никаких препятствий, то сопротивление их течению будет равно нулю. Но на самом деле это не имеет места, ибо электроны должны пробивать себе путь через плотные скопления ионов, электрические поля которых рассеивают и отклоняют электроны. В жидком металле электроны претерпевают столкновения с ионами; на основе нашего опыта, связанного с кинетической теорией, разумно попробовать описать рассеяние электронов с помощью понятия о длине свободного пробега. Напрашивается очевидное интуитивное предположение, заключающееся в том, что расстояние между следующими друг за другом соударениями электрона должно быть примерно равно расстоянию между центрами рассеяния, т. е. порядка 2—3 А. Для многих металлов, однако, это не так, и длина свободного пробега электрона, оцениваемая из сопротивления металла, значительно больше.

Вспоминая историю физики металлов, видим, что такие трудности  возникают не первый раз. Точно такая  же проблема стояла перед физиками 20-х годов, когда они пытались объяснить сопротивление твердых

металлов. Если бы в те времена можно было получать идеальные  металлические кристаллы и очень низкие температуры, то были бы открыты длины свободного пробега в 10 миллионов раз превышающие постоянную решетки! Эта проблема была, в конце концов, решена с помощью применения волновой механики к электронам. Согласно волновой механике электроны, рассматриваемые как волны, вообще не рассеиваются на атомах, расположенных в узлах идеальной кристаллической решетки твердого тела. Электронные волны слегка лишь рассеиваются на ионах в некоторых жидких металлах. В этой связи очень наглядно сравнить длины свободного пробега электронов в твердых и жидких металлах (рис. 12).

При высоких температурах отклонение от идеальности (в форме  ионных колебаний, возрастающих с температурой) служит основной причиной сопротивления кристаллических металлов, идеальных во всех других отношениях. При низких температурах колебания ионов уменьшаются и другие неоднородности (такие, как примеси или кристаллические дефекты) начинают определять сопротивление. Это обстоятельство объясняет тот факт, что металлы различной чистоты имеют примерно одинаковое сопротивление при комнатной температуре, но их низкотемпературные сопротивления могут различаться на много порядков величины.

В жидком металле электроны рассеиваются на беспорядочно расположенных ионах. Однако оказалось, что вблизи точки плавления способности как твердых, так и жидких металлов отклонять электронные волны сравнимы (правда, жидкие металлы опережают твердые примерно вдвое).

Более того, теперь физики начинают понимать не только причину того, почему жидкие металлы вообще являются проводниками, но также почему они являются такими хорошими проводниками. В течение последних нескольких лет Дж. Займан из Бристольского университета развил относительно простую теорию сопротивления жидких металлов, используя лишь среднюю структуру ионов (доступную экспериментальному определению) и учитывая рассеяние электронов на отдельных ионах (известное из физики твердых металлов). Его подход был необычайно успешен и вдохновил других на развитие и распространение его основных идей.

Новым и интересным направлением является изучение изменения процессов  переноса в жидких металлах и, сплавах  при разделении фаз. Мы знаем, что  обычно металл затвердевает при его охлаждении ниже точки плавления. Мы знаем также, что некоторые смеси металлов полностью смешиваются выше определенной температуры и не поддаются смешиванию ниже этой температуры. Вблизи точек таких переходов ионы должны начать проявлять в своем движении «критические флуктуации», отражающие приближение фазового превращения. В результате процессы переноса также должны меняться характерным образом. Изучение таких «критических явлений» в жидких металлах оказывается весьма интересным.

При объяснении процессов переноса проявляется глубокое различие между металлическими и жидкими свойствами. Жидкостные свойства могут вполне успешно рассматриваться с помощью методов классической физики. Для объяснения металлических свойств, наоборот, необходима квантовая теория. Это справедливо даже для тех металлов, у которых длина свободного пробега электронов оказывается равной как раз 2—3 А. Кстати, вопрос о природе и распределении электронных состояний в системе с сильным рассеянием относится к числу проблем, привлекающих большое внимание теоретиков.

Твердые металлы, как  и жидкие, очень плохо сжимаемы по той причине, что для уменьшения объема в обоих случаях нужно  набить «свободные» электроны в  меньшее пространство. Электроны  сопротивляются такому уплотнению, поскольку скопление большого их количества в ограниченном объеме приводит к существенному увеличению кинетической энергии, которая возрастает с увеличением плотности. Жидкие металлы значительно хуже сжимаемы, чем другие жидкости. Из этого факта непосредственно следует, что скорость звука в жидких металлах обычно выше, чем в других жидкостях.

В твердых металлах могут  возникать довольно высокие напряжения сдвига. Жидкие металлы, как и другие жидкости, неспособны оказывать сопротивление  статическим сдвигам. Имеется, однако, одно интересное исключение. А именно, некоторые ультразвуковые волны очень высокой частоты могут распространяться в жидких металлах как сдвиговые возмущения. Сдвиговые волны в твердых телах распространяются с легкостью; в некотором смысле наблюдение сдвиговых волн в жидких металлах указывает на существование мгновенной структуры «твердотельного» типа в распределении атомов. Это в свою очередь связано с ион-ионными силами, а следовательно, частично и с электронами.

Что касается тепловых свойств, то уже более столетия известно, что теплопроводность вещества пропорциональна его электропроводности и температуре. Изменение проводимости (величины, обратной сопротивлению) при плавлении мало, и это же должно иметь место для теплопроводности жидкого металла. Свободные электроны переносят большую часть теплового потока; поэтому жидкие металлы имеют более высокую теплопроводность, чем жидкости-изоляторы. Более того, некоторые жидкие металлы соединяют значительную теплопроводность с высокой теплоемкостью. Эти особые свойства дают возможность использовать жидкие металлы в теплотехнике в качестве материалов, которые эффективно переносят тепло между теплообменными устройствами. Возможно, наиболее подробно изученными среди жидких металлов являются натрий и калий. Они обладают достаточно низкими точками плавления и применялись либо отдельно, либо в виде сплавов для отвода тепла в ядерных реакторах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данном реферате были рассмотрены простые одноатомные жидкие металлы. Существуют более сложные системы, такие как жидкий теллур и жидкий селен, в которых, по-видимому, ионы собираются в сгустки, а иногда и в кольца. К настоящему времени огромное количество данных существует и о сплавах. Постепенно возникает понимание их свойств как с точки зрения многокомпонентных жидкостей, а также как части общей проблемы о поведении электронов в плотных неупорядоченных системах. Подобно чистым жидким металлам, сложные жидкие металлические системы требуют внимания как теоретиков, так и экспериментаторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1.  Ашкрофт Н., Жидкие металлы, «Успехи физических наук», 1970, т.101, в.3
2. Март Н.Х., Жидкие металлы, Наука , 1968.
3. Алексеев В.А., Андреев А.А., Прохоренко В.Я., Электрические свойства жидких металлов и полупроводников, «Успехи физических наук», 1972, т.106, в.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                

 

 

 

 

                                                  Приложение