Металофізика

МЕТАЛОФІ́ЗИКА — роз­діл фізики, що ви­вчає природу, будову, електро­провід­ність, пластичність, міцність та інші властивості металів, а також умови термодинамічної рівноваги та характер пере­бігу в них і поза ними різних процесів (дифузії, фазових пере­творень та інших явищ). При цьому металофізики до металів зараховують власне метали (прості конденсов. речовини), їхні стопи, металічні сполуки, зокрема й кри­сталічні (напр., інтерметаліди; див. Інтерметаліди та матеріали на їхній основі), а іноді й т. зв. синтет. метали (напр., інтеркаляти та органічні метали — органічні сполуки з металіч. провід­ністю). На від­міну від фізики металів, що досліджує електрон­ну структуру металів (їхній електрон. енергет. спектр) і її звʼязок з електрич., магнет. й оптич. властивостями, М. пере­важно аналізує структури різного мас­штабу: атомну (кри­сталічну, квазікри­сталічну або аморфну), дефектну та гетерофазну, а також їхній звʼя­зок із ґратницевими (пруж., мех., тепл.) та ін. властивостями металів залежно від зовн. умов. М. є суміж. галуз­зю фізики (насамперед, фізики конденсованого стану речовини, зокрема фізики твердого тіла) та метало­знавства. У багатьох країнах метало­знавство донині, як і в 19 ст., по­значають терміном «метало­графія», а також називають «фіз. металургією», що є основою наук.-тех. галузі металургії. Від 1920-х рр. ви­вче­н­ня електрон. структури й атомно-кри­сталіч., дефект. і гетерофаз. будови та фазових пере­творень металів, природи їхніх мех., тепл., електрич., магнет. і оптич. властивостей стало осн. змістом метало­знавства як суміж. науки між фізикою металіч. тіла та фізичною хімією — наукою про закони, що ви­значають будову та фіз.-хім. пере­творе­н­ня (в цьому контекс­ті) металіч. речовини за різних зовн. умов (їх досліджують теор. й екс­перим. методами фізики; більшість роз­ділів фіз. хімії мають чіткі межі за обʼєктами та методами дослідж.). Сучасна М. — синтез мікро­скопіч. теорії, що пояснює властивості реал. металіч. матеріалів особливостями їхньої електрон. структури й атом. будови, та класич. теор. метало­знавства, що використовує макро­скопічні методи механіки суціл. середовищ, термодинаміки та ін. для дослідж. будови і властивостей реал. метал. матеріалів. Власне фіз. метало­знавство було та в знач. мірі є тісно повʼязане зі зʼясува­н­ням процесів одержа­н­ня металів, оскільки упродовж тривалого істор. періоду цими пита­н­нями й дослідж. за­ймалися одні й ті ж фахівці. За остан­ні пів­столі­т­тя від­мін­ності між на­званими двома напрямами стали значними, хоча при цьому зберігається тісний звʼязок між ними. Обробле­н­ня металів (кува­н­ня, мех. зміцне­н­ня, від­гартовува­н­ня та навіть від­палюва­н­ня) ві­доме людству вже понад 750 р., а їхнє топле­н­ня та лиття почали широко за­стосовувати до 38 ст. до н. е. Ремісники всіх давніх цивілізацій, використовуючи досягне­н­ня практ. або ку­стар. хімії, видобували та змішували метали. Багато століть пере­ходу до наук. опису металів і стопів, а також роз­роблен­ню методів їх одержа­н­ня й обробле­н­ня пере­дували тривалий роз­виток хімії, фізики та ін. наук, створе­н­ня низки фіз. інструментів. Цьому сприяла наук. діяльність давньорим. вченого Плінія Старшого; нім. — Ґ. Аґріколи (16 ст.); англ. — Ф. Бе­кона, В. Гілберта, Р. Гука, І. Ньютона (усі — 17 ст.), Дж. Гілла (18 ст.), Г.-К. Сорбі (19 ст.); швед. — Т.-В. Берґмана, С. Рінмана; франц. — П.-К. Ґріньона, Ж.-Ф. Клуе, Б.-Ґ. де Морво, Р.-А. Реомюра (усі — 18 ст.), П.-Л. Дюлонґа, О.-Л. Коші, А. На­вʼє, А.-Т. Пті (усі — 19 ст.), Ф. Ос­монда (19 — поч. 20 ст.); амер. — Дж.-Л. Сміта; рос. — П. Аносова (обидва — 19 ст.). На­прикінці 19 ст. макро­скопіч. методами термодинаміки, механіки суціл. сере­довищ тощо досліджено осн. фіз. і хім. властивості багатьох металів і стопів. На поч. 20 ст. з роз­витком заг. матеріало­знавства, роз­робле­н­ням і за­стосува­н­ням дифракц. методів і квантової механіки для поясне­н­ня будови та властивостей кри­сталіч. тіл, зокрема й металів, почала формуватися сучасна М. У цей період англ. матеріало­знавець В. Юм-Ро­зері встановив, що кри­сталічна структура стопів ви­значається спів­від­ноше­н­ням атом. радіусів компонентів, числом валент. електронів і різницею електронегативностей, що до­зволило сформулювати правила утворе­н­ня твердих роз­чинів. У 1920-х рр. він також від­крив низку фаз — т. зв. електрон. сполук, в яких зміни кри­сталіч. структури ви­значають серед. числом валент. електронів. Знач. внесок у роз­робле­н­ня наук. основ сучас. М. зробили укр. і рос. фізик Г. Вульф; англ. — В.-Г. і його син В.-Л. Бреґ­ґи, Н.-Ф. Мотт; нім. — А.-І. Зом­мерфельд, М.-Т. фон Лауе; швейцар. — Ф. Блох, В.-Е. Паулі; амер. — Ф. Зейтц та ін. У цей час від­бувалося й подальше становле­н­ня теор. і екс­перим. основ термодинаміки та фіз. кінетики (див. Кінетична теорія), що, аж до створе­н­ня на поч. 20 ст. квант. механіки, ви­значали гол. напрями дослідж. металів. На­прикінці 19 — на поч. 20 ст. почав формуватися наук. напрям — фізика твердого тіла. В сучас. ро­зумін­ні — це фізика конденсов. систем, що складаються з величез. числа частинок (~ 10²⁸ м⁻³). До 1925 її роз­виток від­бувався за 2-ма напрямами: фізика кри­сталіч. ґраток і фізика електронів у кри­сталах, насамперед металічних. Пізніше ці напрями обʼєд­нали на основі квантової теорії.

Уявле­н­ня про кри­стал як сукупність атомів, упорядковано роз­ташованих у просторі й утримуваних у положе­н­нях рівноваги силами між­атом. взаємодій різної природи, про­йшло тривалий шлях роз­витку й остаточно сформувалося на поч. 20 ст. Варто за­уважити, що роз­робле­н­ня такої моделі почалося ще з роз­рахунку І. Ньютоном (1686) швидкості звуку в ланцюжку пружно звʼяза­них частинок, пізніше дослідж. продовжили швейцар. вчені Й. і його син Д. Бернул­лі (1727), О.-Л. Коші (1830), англ. фізик В. Томсон (1881) та ін. На­прикінці 19 ст. рос. учений Є. Федоров заклав основи теор. кри­стало­графії; 1890–91 він довів існува­н­ня 230-ти простор. груп симетрії кри­сталів — видів упорядков. роз­ташува­н­ня частинок у кри­сталіч. ґратках (т. зв. Федорів. групи). 1912 М.-Т. фон Лауе зі своїми спів­роб. від­крив дифракцію рентґенів. променів на кри­сталах, остаточно затвердивши уявле­н­ня про кри­стал як упорядков. структуру з атомів (іонів). На ос­нові цього від­кри­т­тя роз­роблено метод екс­перим. ви­значе­н­ня роз­ташува­н­ня атомів у кри­сталах і вимірюва­н­ня між­атом. від­станей, що започаткувало рентґенів. структур. аналіз (1913, Г. Вульф, В.-Г. і В.-Л. Бреґ­ґи). 1907–14 сформульовано динамічну теорію кри­сталіч. ґраток, що вже істотно враховувала квант. уявле­н­ня. 1907 А. Айнштайн у рамках моделі кри­стала як сукупності квант. гармоніч. осциляторів однак. частоти пояснив спо­стережуване паді­н­ня тепломісткості твердих тіл під час зниже­н­ня температури — факт, що різко суперечить закону Дюлонґа–Пті. Через декілька років досконалішу динамічну теорію коливань кри­сталіч. ґраток як сукупності звʼязаних квант. осциляторів різних частот побудували нідерланд. і амер. фізико-хімік П.-Й. Дебай, нім. фізик М. Борн, угор. і амер. учений Т. фон Карман та ав­стрій. фізик Е. Шрьодінґер у формі, близькій до сучасної. Новий важливий її етап роз­почався після створе­н­ня квантово-польової теорії твердих тіл. Від­разу після від­кри­т­тя електронів засн. новий напрям — фізику під­системи електронів у кри­сталі, тобто електрон­ну теорію металів та ін. твердих тіл. 1900 нім. фізик П.-К. Друде за­пропонував модель металу, у якій електро­провід­ність здійснювалася потоком «електрон. газу», що запов­нює проміжки між нерухомими атомами (чи іонами). У цій теорії електрони в металі роз­глядають як газ вільних електронів, що заповнює кри­сталічну ґратку та подібний до звичай. роз­рідженого молекуляр. газу, що під­коряється класич. Больцман. статистиці. Цю модель роз­винув нім. фізик К.-В. Рікке. П.-К. Друде одержав правил. оцінку величини електро­провід­ності металів за кімнат. температури, а також пояснив звʼязок тепло- й електро­провід­ностей (емпірич. закон Від­еман­на–Франца). Ця електрон­на теорія уможливила поясне­н­ня закону Ома, стала під­ґрунтям теорії дис­персії електромагнет. хвиль у металіч. кри­сталах та ін. На­прикінці 19 — на поч. 20 ст. нідерланд. фізик Г.-А. Лоренц заклав основи електрон. теорії, що роз­винула ідею Друде, за­стосувавши до електрон. газу кінет. теорію газів. Однак не всі ві­домі факти укладалися в рамки цієї теорії. У 1920-х рр. В.-Е. Паулі сформулював т. зв. принцип заборони (або виключе­н­ня), згідно з яким в одному квант. стані не може пере­бувати більше одного електрона. Цей принцип ві­ді­грав найважливішу роль у побудові квант. теорії систем багатьох частинок, зокрема пояснив закономірності заповне­н­ня електронами оболонок атомів і рівнів у багато­електрон. системах, напр., у металіч. тілах. Одночасно з роз­витком квант. механіки роз­вивалася квант. статистика — квант. теорія поведінки фіз. систем (зокрема макро­скопіч. тіл), що складаються із величез. числа мікрочастинок. 1924 індій. фізик Ш.-Н. Бозе, за­стосувавши принципи квант. статистики до фотонів — частинок зі спіном 1, вивів формулу Планка для роз­поділу енергії в спектрі рівноваж. ви­промінюва­н­ня, а А. Айнштайн одержав формулу роз­поділу енергії для ідеал. газу молекул (статистика Бозе–Айнштайна). 1926 англ. фізик П.-А. Дірак та італ. фізик Е. Фермі показали, що сукупність електронів (та ін. однак. частинок зі спіном 1/2), для яких є слушним принцип Паулі, під­порядковується ін. статистиці — статистиці Фермі–Дірака. Звʼязок спіну зі статистикою встановив В.-Е. Паулі (1940). Від­тоді квант. статистика ві­діграла найважливішу роль у роз­витку фізики конденсов. стану і, перед­усім, у побудові фізики металіч. твердого тіла.

Тепл. колива­н­ня атомів кри­стала можна роз­глядати як сукупність квазічастинок — фононів (поня­т­тя про них увів 1929 фізик І. Тамм), що під­порядковується статистиці Бозе–Айнштайна. У рамках такого під­ходу пояснено спад тепломісткості металів зі зниже­н­ням температури в області низьких т-р, а також показано, що причина електрич. опору металів — роз­сіюва­н­ня електронів не на окремих іонах, а пере­важно на фононах. Пізніше введено ін. квазічастинки, а метод квазічастинок виявився до­статньо ефектив. для дослідж. властивостей склад. макро­скопіч. систем у конденсов. стані. 1927–28 В.-Е. Паулі й А.-І. Зом­мерфельд пояснили «аномалії» парамагнет. сприйнятливості та тепломісткості тим, що частка електронів, що бере участь у пере­несен­ні електрич. заряду й тепла та від­повід­альна за спін. парамагнетизм, є дуже малою. Осн. частина електрон. газу в металах при звичай. т-рах пере­буває у виродженому стані та не реагує на зміну температури. Ці дослідж. були покладені в основу сучас. електрон. теорії металів. 1928 А.-І. Зом­мерфельд за­стосував функцію роз­поділу Фермі–Дірака для опису процесів електроперенесе­н­ня в металах. Це роз­­вʼя­зало низку труднощів класич. теорії та створило основу для подальшого роз­витку квант. теорії кінет. явищ (електро- та тепло­провід­ності, термо­електрич., гальваномагнет. та ін. ефектів) у твердих тілах, особливо в металах і напів­провід­никах. Від­повід­но до принципу Паулі, енергія всієї сукупності квазівіл. електронів металу навіть при абсолют. нулі температури є не нульовою. У незбудженому стані всі рівні енергії, починаючи з нульового та закінчуючи деяким найвищим рівнем, виявляються зайнятими електронами. Під час на­гріва­н­ня збуджуються тільки електрони побл. рівня Фермі. 1930 фізик Л. Ландау показав, що діамагнетизм металів також зумовлений орбітал. рухом електронів побл. рівня Фермі. Цей діамагнетизм може становити третину від спін. парамагнетизму. У магнет. полях і за низьких т-р він може проявлятися через складну періодичну залежність магнет. моменту зразка від прикладеного поля. Згодом квант. осциляції магнет. сприйнятливості (ефект де Гааза–ван Альфена) й електроопору в магнет. полі виявлено екс­периментально. 1929–30 Ф. Блох та франц. і амер. фізик Л.-Н. Брі­л­люен роз­глянули вплив періодич. поля всередині кри­сталіч. ґратки на електрон. газ, що уможливило поясне­н­ня, напр., значе­н­ня довжини вільного пробігу електронів у металі, що набагато пере­вищує середню від­даль між атомами, та при­звело до створе­н­ня зон­ної теорії твердих тіл. Для металу ви­значальним є наявність незаповненої енергетич. зони, через яку проходить поверх­ня Фермі. Тепло- і електро­провід­ність та багато ін. властивостей металів ви­значають електронами саме цієї зони (електронами провід­ності). Досліджуючи вплив статич. і змін. електрич. і магнет. полів (квант. осциляції, гальваномагнетні явища, магнето­акустич. ефект, циклотрон. резонанс тощо) на метал, встановили закон дис­персії (залежність енергії від квазіімпульсу) для електронів. У сукупності з даними про енергетич. спектр електронів (одержуваними, напр., з емісій. рентґенів. спектрів) це дає досить повне уявле­н­ня про електрони в металі. У працях Ф. Блоха, нім. і амер. фізика Г.-А. Бете та Л.-Н. Брі­л­люена (1928–34) роз­роблено теорію зон­ної енергетич. структури кри­сталів, що пояснила від­мін­ності в електрич. властивостях металів і ді­електриків. Описаний ними під­хід, що одержав назву одно­електрон. на­ближе­н­ня, мав подальший роз­виток і широко використовувався. За­стосува­н­ня до опису електронів у металі теорії обмін. взаємодії, започатковану нім. фізиком В.-К. Гайзенберґом і П.-А. Діраком (1927), уможливило ро­зумі­н­ня природи феромагнетизму та сприяло виявлен­ню нових магнето­впорядков. станів металу — антиферомагнетизму й феримагнетизму (перед­бачені франц. фізиком Л.-Є. Неєлем і Л. Ландау). 1928 Я. Френкель і В.-К. Гайзенберґ показали, що в основі феромагнетизму лежить саме квант. обмін­на взаємодія. 1911 нідерланд. фізик і хімік Г. Камерлінг-Оннес від­крив над­провід­ність металів. 1950 рад. фізик В. Ґінзбурґ і Л. Ландау за­пропонували напів­феноменол. теорію над­провід­ності. За кілька років рад. і амер. фізик О. Абрикосов роз­винув її для над­провід­ників 2-го типу. Дослідж. над­провід­ності стимулювали роз­виток нових методів у квант. статистиці. У 1950-х рр. роз­роблено ефективні методи роз­рахунків у статист. квант. теорії багаточастинк. систем. 1956–57 амер. фізики Дж. Бар­дін, Л.-Н. Купер, Дж.-Р. Шріф­фер створили мікро­скопічну теорію (БКШ-теорія) звичай. над­провід­ників 1-го типу, що ґрунтується на уявлен­ні про надплин­ність Купер. пар електронів. 1958–59 її новатор. об­ґрунтува­н­ня здійснили рад. вчені М. Боголюбов і Л. Горьков. Саме зʼясува­н­ня механізмів взає­модії електронів один з одним, зокрема й через кри­сталічну ґратку, роз­крило природу над­провід­ності (насамперед металів). Ви­вче­н­ня кри­сталіч. ґратки є важливим й з огляду на те, що її особ­ливості ви­значають такі властивості металів, як тепломісткість, електро­провід­ність та ін. Методи електроно-, рентґено- та нейтроно­графії сприяли роз­ши­фруван­ню атом. і магнет. структур метал. тіл, а також дослідж. тепл. коливань кри­сталіч. ґраток. Нині для дослідж. структури металіч. кри­сталів за­стосовують високоточні автомат. рентґенів. та нейтрон­ні дифрактометри, що в сотні тисяч разів скоротили час, необхідний для роз­шифрува­н­ня структур. У структур. дослідж. за­стосовують також електрон­ні мікро­скопи великої роз­діл. здатності. Для ви­вче­н­ня струк­тури та роз­поділу електрон. густини в речовині, локал. внутр.-кри­сталіч. магнет. і електрич. полів у металіч. тілах за­стосовують електрон. парамагнет. резонанс (від­критий 1944 Є. Завойським), ядер. магнет. резонанс (1946, амер. фізик Е.-М. Перселл і Ф. Блох), Мес­сбауерів. ефект (1958, нім. фізик Р.-Л. Мес­сбауер). Водночас із резонанс. методами були удосконалені дослідж. структури металіч. тіл за їхніми спектрами ви­промінюва­н­ня та по­глина­н­ня в широкому діапазоні частот (зокрема й із за­стосува­н­ням рентґенів. променів і лазер. ви­промінюва­н­ня). Роз­роблено акуст. методи дослідж. твердих тіл, що ґрунтуються на за­стосуван­ні хвиль ультра- та гіпер­звуку, а також поверхн. акуст. хвиль.

Нині ви­вче­н­ня властивостей нормал., над­провід. і магнето­впорядкованих (феро-, антиферо- та феримагнет.) металів складають 3 осн. напрями фізики металів і мікро­скопіч. теорії металів. Велике значе­н­ня для М. має дослідж. металіч. матеріалів у екс­тремал. умовах: при дуже низьких або високих т-рах, надвисокому тиску або глибокому вакуумі, надсильному магніт. полі тощо. Важливим для M. є ви­вче­н­ня атомно-кри­сталіч. будови металів і стопів та еволюції їхньої мік­ро­структури при зміні складу, температури, тиску, магніт. поля тощо. Теорія уможливлює лише в най­простіших випадках роз­рахувати характер кри­сталіч. будови, керуючись електрон. структурою атомів; майже всю інформацію про дефекти кри­сталів одержано екс­периментально. Дефекти кри­сталіч. структури впливають практично на всі властивості металів. Вплив дефектів почали ви­вчати в 1940-х рр., насамперед, у звʼязку з дослідж. дифузії та пластич. деформації. Значне місце в теорії дефектів за­ймає уявле­н­ня про дис­локації, пере­міще­н­ням яких пояснюють пластичні деформації кри­сталів. Ці уявле­н­ня зʼявилися в працях багатьох дослідників (нім. учених Л. Прандт­ля і В. Делінґера, угор. і амер. металофізика Е. Орована, угор. і британ. фізико-хіміка М. Поланьї та британ. фізика Дж.-І. Тейлора, Я. Френкеля, нідерланд. і амер. вченого Й.-М. Бюрґерса та ін.) унаслідок неможливості пояснити малий опір деформації в рамках мікро­скопіч. теорії ідеал. кри­стала. У 1950–60-х рр. завдяки дослідж. дис­локацій (зокрема й за допомогою електрон. мікро­скопа та рентґенів. топо­графії) у комбінації з теор. дослідж. пояснено більшість мех. властивостей металів. Так, границю плин­ності та деформац. старі­н­ня металів пояснили пруж. взаємодією дис­локацій із домішк. атомами, деформац. зміцне­н­ня — дис­локац. скупче­н­нями (Н.-Ф. Мотт, франц. фізик Ж. Фрідель, нім. фізик А.-К. Зеєґер та ін.), процеси полігонізації (роз­бива­н­ня деформов. монокри­сталів на блоки) — дис­локац. структурою меж зерен (амер. фізик В.-Б. Шоклі, В.-Т. Рід, британ. фізик Ф.-Ч. Френк та ін.). Створе­н­ня та пере­міще­н­ня точк. дефектів призводять до утворе­н­ня дис­локацій і, крім того, ві­ді­грають само­стійну роль у процесах дифузії, самодифузії та по­вʼязаних з ними явищах. Отже, сукупність дефектів у кри­сталі, що утворює його ієрархічно складну (на різних мас­штаб. рівнях) дефектну структуру, ви­значає багато властивостей реал. металу. Роз­сія­н­ня електронів і фононів на дефектах може ві­ді­гравати важливу роль у багатьох кінет. явищах у металах. Метал. стопи та гетерофазні структури на їхній основі є найпоширенішими обʼєктами дослідж. у М. Здатність утворювати тверді роз­чини та стопи — одна з найважливіших властивостей металів, що забезпечує їм широке за­стосува­н­ня. Теорія стопів — найдавніший напрям М., роз­виток якого тісно повʼязаний із проб­лемами практ. метало­знавства. Явища атом. впорядкува­н­ня та поліморфізму використовують на практиці для на­да­н­ня метал. матеріалам від­повід. властивостей шляхом терміч. обробле­н­ня. До корін. зміни всіх фіз. властивостей металу призводить його поліморфне пере­творе­н­ня (нерідко при цьому від­бувається пере­творе­н­ня металу в неметал — пере­хід типу метал–ді­електрик). Важливий напрям у М. — ви­вче­н­ня поліморф. модифікацій, що виникають в умовах високого тиску, надсильного магніт. поля тощо. Дослідж. областей стійкості різних поліморф. фаз залежно від зовн. умов (т-ри, тиску, полів), а для стопів — також від концентрації, сприяють створен­ню діа­грами стану. Теорія фаз, яку почали роз­робляти ще у 19 ст. нідерланд. фізико-хімік Г.-В. Ро­зеб та ін. (насамперед для метал. стопів), роз­глядає фазові рівноваги, фазові пере­творе­н­ня, а також структуру та властивості гетерофаз. систем. Пере­творе­н­ня однієї фази в ін., за­звичай, від­бувається шляхом утворе­н­ня у вихід. фазі окремих кри­сталиків нової фази, що ростуть, взаємодіють і утворюють складну (по­двійну, потрійну чи багатокомпонентну) гетерофазну систему. Оптимізовані в за­даних умовах за морфологією (формою, роз­міром, внутр. устроєм) і взаєм. роз­ташува­н­ням кри­сталики ви­значають гетерофазну структуру реал. металу. Регулюва­н­ням унаслідок терміч., термомех. чи термомеханікомагнет. обробле­н­ня гетерофаз. структури можна змінювати властивості метал. матеріалів. При цьому властивості гетерофаз. системи можуть не зводитися до «сукупності властивостей» окремих фаз. Така не­адитивність (і навіть синергізм) властивостей повʼязується з наявністю між­фаз. меж, питомий обсяг яких у дрібнодис­перс. системах може бути досить великий, а також зі знач. спотворе­н­ням фаз через пружну взаємодію. Вплив пруж. взаємодії фаз найповніше виявляється при фазових пере­творе­н­нях мартенсит. типу, коли не змінюються ні склад, ні ступінь порядку, а фази від­різняються лише положе­н­ням вузлів кри­сталіч. ґраток. Фіз. природу мартенсит. пере­творень (зокрема аустеніту в мартенсит у крицях за без­дифуз., або зсувним, механізмом) почали ви­вчати в 1930-х рр. металофізик і метало­знавець Г. Курдюмов, рос. і амер. фахівець у галузі металургії Г. Закс. Дослідж. еволюції гетерофаз. систем із плином часу за різних зовн. умов і кінетики від­повід. фазових пере­творень, що виконали рад. метало­знавці та металофізики В. Садовський, А. Ройтбурд, А. Хачатурян та ін., сприяли подальшому ви­вчен­ню проміж. станів гетерофаз. структури, що виникають у процесі пере­творе­н­ня та потім можуть до­статньо довго зберігатися, якщо зміна зовн. умов «заморожує» пере­творе­н­ня. Унаслідок пруж. взаємодії між фазами часто утворюються багатофазні мета­стабіл. стани, що характеризуються регуляр. простор. роз­ташува­н­ням фаз. Прикладом такої нерівноваж. гетерофаз. структури є полікри­стали, роз­мір зерен яких ви­значається швидкістю зародже­н­ня та росту зерен у процесі фазової (пере-) кри­сталізації. Таким чином, будова реал. металів характеризується наявністю 3-х структур із різними мас­­штаб. рівнями організації: мікро­скопіч. (атомно-кри­сталіч.), дефект. та гетерофазної. Між різними «поверхами» цієї «ієрархії» структур є тісний взаємозвʼязок, однак від­мін­ність у мас­штабах уст­рою виправдовує від­мін­ність у методах їхнього екс­перим. і теор. ви­вче­н­ня, що вже історично склалося. Із цим повʼязане ви­окремле­н­ня 3-х напрямів М. — мікро­скопіч. теорії металів, дослідж. дефектів та їхнього впливу на властивості металів, ви­вче­н­ня фаз і гетерофаз. метал. матеріалів. Вони з різних сторін роз­­вʼязують заг. про­блему М. — ро­зумі­н­ня звʼязку фіз. властивостей металу та явищ, що від­буваються в ньому, з його будовою та встановле­н­ня залежності внутр. будови металу від зовн. умов. М. належить провід­на роль у зʼясуван­ні можливостей одержа­н­ня металіч. матеріалів з екс­тремал. характеристиками щодо мех. міцності, тепло­стійкості, електрич., магнет. і оптич. властивостей. Однак донині не вдається здійснити прийнятні роз­рахунки намагнетованості, тепломісткості, електро­провід­ності й ін. макро­скопіч. характеристик, керуючись ві­домою будовою кри­сталіч. ґратки, електрон. оболонок атомів й ін. параметрами мікро­скопіки для металіч. кри­стала в сильно магнет. (феро-, антиферо- і фери-) стані за температури, що не дорівнює нулю. Від 1970-х рр. екс­периментально здійснюють пошуки різних нефонон. механізмів над­провід­ності в металовміс. кри­сталохім. сполуках за­даного складу, теоретично роз­робляють механізми із врахува­н­ням спін. флюктуацій, поляронів і біполяронів, резонувал. валент. звʼязків, маргінал. Фермі-рідини, Лат­тінжер. рідини, сильних кореляцій за еніон. механізмом (зі спін. конфігураціями, що від­повід­ають нейтрал. збудже­н­ням, з характерною для пониженої (< 3) простор. вимірності провідника проміж. чи дроб. статистикою збуджень, між якими розподіляються спін. і заряд. ступені вільності електронів тощо. Роз­вʼязання цього завдання уможливило б розуміння поводження відомих металовміс. високотемператур. надпровідників (купратів, залізовміс. пніктидів та ін.) з критич. т-рою понад 25 К і сприяло б створенню нових металовміс. (але некупрат.) із заданим складом (і критич. т-рою понад 50 К), напр., на основі стиснутих разом графен. шарів (із врахуванням або використанням їхньої дефект. структури). Це мало б величезне значення для експерим. фізики та техніки загалом, зокрема розвʼязало б проблему передачі електрич. енергії на великі віддалі практично без втрат. Не зʼясовано й теор. питання про мікроскопіч. механізм формування певних станів квазідвовимір. електрон. рідини в кристаліч. каркасі з «винятк.» коефіцієнтами заповнен­ня і з дроб. квант. ефектом і «надзвичай.» залежностями її попереч. магнетопровідності від напруженості зовн. магніт. поля (із врахуванням закону збереження кутового моменту в статист. механіці такої системи заряджених частинок). Актуальним є й питання, чи буде топол. порядок стабільним за температури, що не дорівнює нулю, та, відповідно, чи можливо мати тривимірну самокоригувал. квант. памʼять? Корисним стане зʼясування природи переходу між рідкою чи кристаліч. і склоподіб. фазами, а також фіз. процесів, що призводять до склування й формування осн. властивостей металіч. скла. Металофізики припускають, що металіч. водень (твердий і рідкий) матиме низку незвичай. властивостей, вивчення яких може призвес­ти до принципово нових відкриттів у фізиці металів і техніці. Однак ще не зʼясовано питання про ступінь стабільності фази високого тиску твердого водню, що має металічні властивості, після зняття зовн. тиску. Також принциповим має стати пояснення суперечливих повідомлень про надлишк. тепловиділення, випромінювання та трансмутації (перетворення ізотопа одного первня в ізотоп ін. первня) в результаті т. зв. холод. синтезу (напр., під час електролізу важкої води з використанням паладієвого електрода або в процесі реакції перетворення нікелю в мідь за участі ізотопів гідрогену). Розробляють нові напрями дослідж. твердих тіл акустич. методами: акустоелектроніка (зокрема щодо взаємодії акуст. хвиль із електронами в металах і надпровідниках), акуст. ядер. і парамагніт. резонанси, визначення фонон. спектра й дисперсій. кривих. Розвиток традиц. напрямів М. і фізики металів на межі з дослідж. наномасштаб. систем, наноматеріалів і наноструктур часто призводить до несподів. відкриттів нових фіз. явищ або матеріалів із особливими властивостями, важливими для практ. використання: водневих квант. кристалів у твердих розчинах гідрогену у важких металах, металіч. ниткуватих кристалів (вусів), легованих графен. плівок, різноманіт. надпровідників 2-го типу, надпровідників з гетеропереходами, ефектів, зумовлених нерівноваж. надпровідністю, Джозефсонів. ефекту тощо.

Становле­н­ня М. в Україні від­бувалося в 2-й пол. 19 — 1-й третині 20 ст. У 1860-х рр. роз­почато публікацію праць дослідників Харкова, Львова, Києва, Катеринослава (нині Дні­про), Одеси. Серед укр. фундаторів науки про метали — А. Мевіус (перший проф. у галузі металургії, досліджував чавун і крицю, роз­робив основи агломерації), М. Бекетов (засн. фіз. хімії як самост. дисципліни, встановив електрохім. ряд напруг металів, від­крив алюмінотермію — метод від­новле­н­ня металів із їхніх оксидів алюмінієм за високих т-р, започаткував металургію спец. стопів), М. Авенаріус (організатор і кер. київ. наук. школи фізиків-екс­периментаторів, дослідник термо­електрики в металах), М. Бенардос (роз­робив дугове електрозварюва­н­ня та різа­н­ня металів — т. зв. електрогефесту), І. Пулюй (винахідник і кон­структор електрон. вакуум. трубки — т. зв. рурки Пулюя, автор праць з катод. ви­промінюва­н­ня x-променів, від­критих ним за пів­тора десятилі­т­тя до В.-К. Рентґена), М. Пильчиков (роз­робник фотогальвано­графії, удосконалив трубку І. Пулюя, від­крив низку нових властивостей x-променів), М. Курнаков (дослідник у галузі метало­графії та термогр. аналізу, його наук. результати уможливили системат. дослідж. багатокомпонент. систем — метал. стопів, роз­чинів, солей тощо, об­ґрунтував і роз­винув вче­н­ня про діа­грами стану та діа­грами склад–властивість цих систем), Г. Де-Метц (ви­вчав стисливість живосрібла, тепл. явищ, дії магнетика на проникну здатність x-променів та властивості радіо­актив. уран. і торієвих руд), В. Іжевський (роз­робив теор. засади ефектив. методів метало­графії, електрометалургії та терміч. обробле­н­ня металів і залізовуглец. стопів), В. Кістяківський (основоположник колоїд. електрохімії, дослідник електрохімії магнію, хрому, заліза, алюмінію й ін. металів, зокрема закономірностей корозії, пасивації та електрокри­сталізації металів при поліфаз. контакті, що за­стосовують у гальваностегії, у процесах рафінува­н­ня металів і гідро­електрометалургії), С. Анчиц (дослідник витривалості криць, ви­вчав вплив металург. процесів, режимів лиття, терміч. обробле­н­ня й оброб­ле­н­ня тиском металів і стопів на структуру крицевих зливків, вплив неметал. включень і домішок на мех. властивості прокатаних виробів-напів­фабрикатів і деталей машин), В. Плотніков (основоположник київ. електрохім. школи, дослідник механізмів електро­провід­ності сумішей не­електролітів, здійснив за кімнат. температури електроліт. вилуче­н­ня з невод. і роз­плавлених роз­чинів алюмінію та ін. металів, що сприяло становлен­ню порошк. металургії), Д. Штейнберґ (досліджував магнетизм речовин — намагнетува­н­ня порошків, магнетострикцію, Баркгаузен. ефект і гальваномагнетні явища у феромагнет. металах і стопах, зокрема залізонікелевих), Л. Писаржевський (роз­робник теорії гальваніч. елемента, що враховує термодинамічну рівновагу між іонами й електронами в металі; заклав основи електрон. теорії гетероген. каталізу, увівши уявле­н­ня про роль електронів провід­ності під час взаємодії твердого каталізатора як єдиного цілого з частинками ре­агенту, роз­глядаючи хім. процеси з міркувань про будову електрон. оболонок атомів і молекул, електро­статич. взаємодій і спотворень атомів, молекул і іонів), П. Рубін (зробив знач. внесок у металург., коксохім. і металогр. дослідж.), А. Вино­градов (дослідж. стосувалися метало­графії та терміч. оброблен­ня стопів, обробле­н­ня металів тиском, прокат., ливар., домен. виробництва тощо, засн. першої в Україні металогр. лаб.), О. Дин­ник (засн. наук. школи з приклад. теорії пружності в Україні; ви­вчав магнетува­н­ня, термопружність, опір та стійкість анізотроп. матеріалів із криці), Л.-М. Кордиш (один із кер. київ. школи теор. фізики; роз­робляв пита­н­ня тео­рії x-променів, магнетизму, електро­провід­ності та над­провід­ності), С. Тимошенко (основоположник приклад. теорії пружності та вібрацій; дослідник мех. стійкості пруж. тіл, опору та міцності деформів. матеріалів, зокрема й металевих), К. Симінський (ви­вчав міцність, стійкість та втому метал. матеріалів), А. Малиновський (вирішив низку питань електрон. теорії провід­ності металів, дослідив термо­електр. властивості металів під час топле­н­ня), І. Фещенко-Чопівський (дослідив дифузію в залізі, нікелі, кобальті та їхніх стопах; роз­робив метод гартува­н­ня та легува­н­ня криці, поліпше­н­ня її мех. властивостей; ви­вчив металогр. процеси навуглецюва­н­ня заліза; заклав основи т. зв. кермов. металургії — зміцне­н­ня криці з прокат. на­гріву; зробив знач. внесок у теорію терміч. й хім.-терміч. обробле­н­ня та роз­роб­ле­н­ня про­блем злютовува­н­ня металів; побудував діа­грами стану багатокомпонент. метал. систем), М. Луговцов (роз­робив статист. теорію домен. процесу, методи під­вище­н­ня якості чавуну внаслідок продува­н­ня киснем), В. Кучер (дослідив динаміку руху електронів у металах), В. Васильєв (за­пропонував тривкі магнезіал. шлаки для домен. виробництва). Знач. внесок у практ. викори­ста­н­ня в Україні знань про метали в 2-й пол. 19 — 1-й третині 20 ст. зробили І. Бардін, Б. Грозін, М. Доброхотов, І. Зеленцов, М. Курако, М. Па­влов, В. Свєчников, С. Тельний, І. Тиме, Л. Фортунато, Д. Чер­нов та ін. Перші системат. дослідж. у галузі М. в Україні почали здійснювати після 1928 в Укр. фіз.-тех. ін­ституті ВУАН у Харкові (а згодом і в Дні­проп. філії), Харків. університеті, Ін­ституті фізики ВУАН у Києві, Дні­проп. металург. ін­ституті, Дні­проп. університеті та ін. установах за участі фізиків і метало­знавців М. Алексєєвського, М. Арбузова, О. Ахієзера, П. Борзяка, К. Вайсельберґа, Л. Верещагіна, Р.-Й. Гарбера, Г. Гельмана, С. Герцрікена, В. Горського, В. Данилова, А. Желеховського, А. Комара, О. Компанійця, Г. Курдюмова, Б. Лазарева, Ф. Ланґе, Л. Ландау, Є. Ліфшиця, І. Ліфшиця, Л. Палатника, Б. Пінеса, І. Померанчука, Л. Ро­зенкевича, В. Ром­берга, Ю. Рябініна, К. Синельникова, Б. Фінкельштейна, В. Хоткевича, О. Чекмарьова, Е. Шварца, Г. Шепелєва, Л. Шубникова та ін. У 20 ст. роз­витком наук про метали в Україні також за­ймалися В. Архаров, В. Баптизмансь­кий, Є. Боровик, К. Бунін, М. Варич, Б. Вєркін, О. Галкін, Я. Гегузін, А. Глауберман, О. Голик, Ю. Делімарський, Д. Дудко, П. Ємельяненко, В. Н. Єременко, Г. Єфименко, В. Єфимов, О. Жмудський, В. Іванов, М. Каганов, Г. Карпенко, Б. Касаткін, М. Корчинський, Б. Костецький, П. Кузьменко, А. Макара, Г. Максимович, В. Маслов, Б. Медовар, І. Мірошниченко, З. Некрасов, В. Остренко, І. Саллі, А. Самой­лович, Г. Самсонов, К. Стародубов, В. Старцев, І. Федорчен­ко, І. Францевич, В. Шпінель, Ю. Шульте. Знач. внесок у роз­вʼя­за­н­ня актуал. про­блем усіх роз­ділів М. зробили науковці Лаб. М. АН УРСР (засн. 1945) та Металофізики Ін­ституту ім. Г. Курдюмова НАНУ (1955) у Києві. Нині дослідж. з про­блем М. проводять у низці укр. академ. і галуз. ін­ститутів та ВНЗів у Києві, Харкові, Львові, Дні­прі, Івано-Франківську, Черкасах, Сумах, Чернівцях, Запоріж­жі, Ужгороді, Він­ниці, Одесі та ін. Функціонують наук. школи, сформовані під впливом або за участі В. Ажажі, М. Азбеля, О. Андрейківа, В. Андронова, Ю. Бабаскіна, О. Бакая, В. Башева, Б. Береснева, М. Білоуса, М. Бог­дана, Ю. Бойка, В. Большакова, В. Бондаренка, О. Бондаренка, Г. Борисова, В. Гаврилюка, М. Гасика, В. Гвоздикова, М. Гладких, С. Гнатченка, О. Городиського, Г. Григоренка, З. Гурського, А. Гусака, І. Дмитренка, Я. Дутчака, В. В. Єременка, О. Єрмолаєва, Е. Завадського, О. Зарубицького, А. Звягіна, В. Зеленського, З. Зимана, Е. Канера, П. Кислого, О. Ковальова, Ю. Комніка, В. Конторовича, О. Королюка, А. Косевича, А. Косторнова, І. Кріве, Р. Кузнецової, І. Кулика, М. Куліша, С. Кучука-Яценка, В. Лакомського, В. Лебедєва, Є. Левіна, В. Локтєва, В. Макари, А. Мамалуя, З. Матисіної, В. Махненка, В. Мацокіна, Б. Мерісова, Б. Мовчана, О. Назаренка, В. Найдека, Ю. Найдича, А. Наумовця, В. Нацика, І. Неклюдова, М. Новикова, М. Оболенського, О. Олемського, О. Омельянчука, О. Осташа, І. Папірова, Б. Патона, В. Первакова, П. Петренка, В. Піщанського, О. Погребняка, В. Пойди, В. Похмурського, І. Походні, В. Прохоренка, І. Проценка, Ю. Птушинського, О. Райченка, С. Репецького, А. Ройтбурда, О. Романіва, А. Сіренка, В. Скорохода, В. Сльозова, І. Спиридонової, В. Сугакова, Ю. Тарана-Жовніра, Г. Тихинсь­кого, П. Томчука, В. Ульянова, В. Федірка, М. Харченка, Є. Харькова, А. Хачатуряна, А. Хоткевича, Л. Цимбала, В. Цукерника, О. Шаповалової, В. Шкловського, І. Юхновського, К. Ющенка, В. Ямпольського, І. Янсона та ін. Наук. про­блеми М. висвітлюють ж. «Метал­лофизика и новейшие технологии», «Успехи физики метал­лов», «Порошковая метал­лургия» (усі — Київ), «Физика метал­лов и метал­ловедение» (РФ), «Physical Review B — Condensed Matter and Materials Physics», «Metallurgical and Materials Trans­actions A: Physical Metallurgy and Materials Science» (обидва — США), «Acta Materialia», «Journal of Alloys and Compounds», «Synthetic Me­tals», «Intermetallics» (усі — Нідерланди), «Scripta Materialia», «Pro­gressin Materials Science», «Philo­­sophical Magazine» (усі — Велика Британія), «Materials Transactions» (Японія), «Physica Status Solidi A: Applications and Materials» (Німеч­чина) та ін.

Завантажити статтю