Николаев О.С. Железо и атом железа.
Сжимаемость. Справочник физических параметров

Oglavlenie pervoj chasti

Vvedenie

Vpervie lyudi poznakomilis' s zhelezom soderzhaschemsya v kamnyakh, chto padali s neba. Odno vremya ego i nazivali nebesnim metallom. Voobsche zhe otmetim, mnogie elementi tablitsi D.I.Mendeleeva imeyut nebesnoe ili kosmicheskie proiskhozhdenie. Isklyuchenie sostavlyayut te radioaktivnie elementi, kotorie fiziki poluchayut iskusstvennim putem na Zemle.

Kogda i gde rozhdayutsya atomi zheleza?

Oni rozhdayutsya v zvezdakh, kak mnogie drugie atomi (sm. prilozhenie 1). S pozitsii sovremennikh znanij astrofiziki tak risuyut nam razvitie Vselennoj ot Bol'shogo vzriva. Na tret'ej minute posle vzriva bilo obrazovano 98% massi Vselennoj. Ona sostoyala iz smesi yader vodoroda, geliya, protonov, elektronov i nejtronov. Pri etom yader vodoroda bilo 75%, a yader geliya – 23%. Cherez 300 000 let posle vzriva rodilis' atomi vodoroda i geliya [1]. Iz etikh atomov stali formirovat'sya galaktiki i zvezdi. Zvezdi – eto ogromnie goryachie gazovie vraschayuschiesya sferi (kosmicheskie pechi!). kotorie obespechivayut Vselennuyu polnim naborom khimicheskikh elementov. V samikh obschikh chertakh protsess idet sleduyuschim obrazom, (sm. prilozhenie 1).

Snachala zvezda szhigaet vodorod, preobrazuya ego v gelij. Szhimayas', ona uvelichivaet temperaturu svoego yadra i nachinaet szhigat' gelij, preobrazuya ego v uglerod. Szhigaya uglerod – preobrazuet ego v kislorod. V rezul'tate szhiganiya kisloroda obrazuyutsya yadra neona, magniya, seri, alyuminiya... Kogda v rezul'tate ryada prevraschenij poyavlyayutsya yadra atomov zheleza, dlya zvezdi nastupaet moment nachala ugasaniya.

Chast' yadernikh reaktsij s uchastiem yader zheleza endoenergeticheskie (Q < 0). Kogda temperatura i davlenie vnutri zvezdi dostatochno veliki – oni mogut proizojti. Odnako, oni otnimayut u nee energiyu. V rezul'tate chego ona szhimaetsya i postepenno gasnet.

Ne vse zvezdi imeyut takuyu sud'bu. Te iz nikh, chto imeyut massu, previshayuschuyu massu Solntsa priblizitel'no v 8 raz, na opredelennom etape razvitiya vzrivayutsya [2]. Ikh nazivayut sverkhnovimi. Imenno oni vibrasivayut v kosmos chasti svoego veschestva, nasischennogo tyazhelimi elementami. Iz etogo veschestva mogut obrazovat'sya drugie zvezdi i planetnie sistemi. Uchenie predpolagayut, chto nashe Solntse i ego planetnaya sistema mogli obrazovat'sya imenno takim putem [3]. Takim obrazom, elementi, kotorie mi nakhodim na Zemle imeyut kosmicheskoe proiskhozhdenie.

Zhelezo vkhodit v chislo samikh rasprostranennikh elementov pa Zemle. Imi yavlyayutsya: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg... (do glubini 16 km). Yadro Zemli sostoit iz zheleza i nikelya. Zhelezo i ego splavi sigrali vidayuschuyusya rol' v razvitii tekhniki i nauki na nashej planete. Orudiya truda, oruzhie i nauchnie pribori ne obkhodyatsya bez zheleza i ego splavov. Nedarom istoriki govoryat, chto "vek zheleza", naschitivayuschij bolee 3500 let esche ne zakonchilsya. On prodolzhaetsya. Chislo splavov na osnove zheleza previshaet desyat' tisyach. Chistoe zhelezo v vide monokristalla myagkoe, a esli ono vkhodit v sostav spetsial'nikh splavov (stalej), to po tverdosti sopernichaet s almazom. [4]

Ochevidno, bilo bi ne razumno, v prodolzhayuschijsya vek zheleza ne imet' sbornik fizicheskikh parametrov etogo po svoemu unikal'nogo kosmicheskogo elementa. S etoj tsel'yu i bila napisana nastoyaschaya rabota.

V tablitse D.I.Mendeleeva k nastoyaschemu vremeni (2004 g) naschitivaetsya 12 s-metallov, 10 r-metallov, 28 f-metallov, 37 d-metallov. Imeyutsya soobscheniya ob identifikatsii.

11O, 111 i 112 d-metallov;

113, 114, 115 i 116 r-metallov.

Zhelezo yavlyaetsya d-metallom chetvertogo perioda, zanimaya dostatochno udalennoe mesto ot metallov pervoj gruppi i nemetallov s zavershennoj elektronnoj obolochkoj. Takoe polozhenie zheleza sootvetstvuet ego fizicheskim svojstvam. Eto odin iz yarkikh predstavitelej mira metallov.

V spravochnike privodyatsya ne vse fizicheskie parametri zheleza, a tol'ko nebol'shaya chast' tekh iz nikh, kotorie tak ili inache mogli bit' ispol'zovani dlya opredeleniya mekhanicheskikh svojstv. Ne voshli magnitnie, opticheskie i drugie parametri.

V pervoj glave spravochnika privodyatsya parametri izolirovannogo atoma zheleza. Rabochej model'yu atoma bila model' Rezerforda – Nil'sa Bora. Informatsiya podaetsya po punktam. V kazhdom punkte daetsya polnoe nazvanie parametra i privoditsya ego bukvennoe oboznachenie. Esli parametr rasschitivaetsya, to privoditsya formula. Pri etom poryadok podachi informatsii v osnovnom sleduet takomu pravilu. Parametri privodimie pozzhe, mogut bit' vichisleni s pomosch'yu tekh, chto bili privedeni ran'she.

Nekotorie parametri, naprimer, prochnost' izolirovannogo atoma ili energiya polnoj posledovatel'noj ionizatsii atoma, prochnost' zheleza na razriv pri T= OshK i T=T_pl, mogli bit' polucheni posle otdel'nogo rascheta ili obrabotki eksperimental'nikh dannikh. Takie rascheti vineseni v prilozheniya, na kotorie i delayutsya sootvetstvuyuschie ssilki.

Vo vtoroj glave spravochnika privodyatsya dannie o fizicheskikh svojstvakh makroskopicheskikh obraztsov metalla. Odnako, imeetsya massa eksperimental'nikh dannikh svidetel'stvuyuschikh o tom, chto ob'edinenie vsego neskol'kikh atomov ne obladaet privichnimi fizicheskimi svojstvami. Izvestnie nam svojstva tela proyavlyayu v bol'shej mere togda, kogda sostoyat iz neskol'kikh millionov atomov [6]. Obraztsi metalla soderzhaschie chisla atomov v intervale

10 < N_am < 8,5x10¹⁰

nazvani minimal'nimi monokristallami (MMK). Pri etom rech' v pervuyu ochered' vedetsya o ravnorazmernikh (kubicheskikh) MMK, kogda l₁ = l₂ =l₃ = pa, gde a – period kristallicheskoj reshetki metalla. Verkhnyaya granitsa MMK uslovna. Svojstva MMK zheleza privedeni v otdel'nom razdele, (bolee podrobno v prilozhenii 4).

Dlya opredeleniya mekhanicheskikh svojstv zheleza primenyaetsya teplovoj sposob rascheta privedennij v prilozhenii 8.

Sravnitel'no bol'shoj nabor fizicheskikh parametrov odnogo elementa (bolee 100) pozvolyaet sravnivat' odnoimennie svojstva. Naprimer, sravnivat' mekhanicheskie svojstva atoma zheleza i makroskopicheskikh obraztsov. Mozhno provodit' sravnenie odnoimennikh fizicheskikh svojstv dlya trekh sostoyanij metalla (plotnosti, udel'nie teploemkosti, koeffitsienti ob'emnogo rasshireniya, szhimaemosti i t.d.).

Vse parametri privedeni v SI. V nekotorikh sluchayakh ispol'zuyutsya edinitsi, udobnie dlya dannoj oblasti. Sredi nikh eV, ^oS, mol', kg/mm² i dr.

Spisok ispol'zovannoj literaturi priveden v kontse raboti. Privedennie svedeniya o fizicheskikh svojstvakh zheleza i atoma zheleza mogut bit' ispol'zovani v kachestve dopolnitel'nogo materiala studentami mladshikh kursov pri izuchenii sootvetstvuyuschikh razdelov kursa obschej fiziki, gde eta distsiplina yavlyaetsya profiliruyuschej.

Oglavlenie vtoroj chasti

El autor

Nikolaev Oleg Semenovich

Fizik, okonchil Khar'kovskij gosuniversitet. Prepodaval fiziku v srednej shkole, na podgotovitel'nikh kursakh i v Universitete imeni V. Dalya. Dlitel'noe vremya rabotal v dolzhnosti starshego nauchnogo sotrudnika NII upravlyayuschikh vichislitel'nikh mashin. Zanimalsya issledovaniyami fizicheskikh svojstv i rezhimami primeneniya novikh poluprovodnikovikh priborov i integral'nikh skhem v izdeliyakh vichislitel'noj tekhniki. Neskol'ko let prorabotal nachal'nikom laboratorii fiziko-khimicheskikh issledovanij v NPK «TEMP». Organizoval izmereniya elektricheskikh parametrov i issledovanie optimal'nikh rezhimov polyarizatsii p'ezokeramicheskikh elementov razlichnikh tipov. Yavlyaetsya avtorom okolo 30 pechatnikh rabot, sredi nikh 13 monografij, v tom chisle po fizike prochnosti chistikh metallov.