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 зв’язок з електрич., магнет. й оптич. властивостями, М. переважно аналізує структури різного масштабу: атомну (кристалічну, квазікристалічну або аморфну), дефектну та гетерофазну, а також їхній зв’язок 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 об’єктами 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 пов’язане зі з’ясуванням 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 зв’язок 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. Нав’є, 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 об’єднали 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 зв’язаних 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 зв’язаних 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 зв’язок 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. Зв’язок 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 розв’язало 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 з’ясування 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 зв’язку з дослідж. дифузії та пластич. деформації. Значне місце в теорії дефектів займає уявлення про дислокації, переміщенням яких пояснюють пластичні деформації кристалів. Ці уявлення з’явилися 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 пов’язаних 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 об’єктами 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 пов’язаний 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 пов’язується 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 взаємозв’язок, однак відмінність у масштабах устрою виправдовує відмінність у методах їхнього експерим. і теор. вивчення, що вже історично склалося. Із цим пов’язане 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 розв’язують заг. проблему М. — розуміння зв’язку 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 з’ясуванні 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. зв’язків, 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. Розв’язання 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 розв’язало б проблему передачі електрич. енергії на великі віддалі практично без втрат. Не з’ясовано 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. пам’ять? Корисним стане з’ясування 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 з’ясовано 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 розв’язання 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.

Розмір шрифту

Металофізика

Рекомендована література

Інформація про статтю