Введение в основы материаловедения
Материаловедение, хотя и не всегда демонстрирует прямые и очевидные связи, глубоко укоренено в фундаментальных законах классической физики и химии. Эти дисциплины формируют его теоретический базис. Для читателей, желающих освежить в памяти ключевые научные принципы, в конце книги предусмотрено специальное приложение. Однако для полноценного понимания предмета недостаточно лишь знания химических реакций и физических законов. Не менее критически важным является корректное восприятие масштабов и размерностей. Можно сказать, что законы науки задают правила игры, а масштабы — размеры игрового поля, которые в природе и технике варьируются в невообразимо широких пределах. Поэтому первостепенное значение имеет знакомство с системами измерений, особенно с теми, что используются для описания микроскопического мира.
Единицы измерения в микромире
Как справедливо отмечал лорд Кельвин, любая наука начинается с измерений. Для макромира мы привыкли использовать сантиметры, граммы и килограммы. Но когда речь заходит о структуре материалов, приходится оперировать гораздо меньшими величинами, требующими специальных единиц.
- Микрон (мкм) — это одна миллионная часть метра или одна тысячная миллиметра. Порог восприятия невооруженного человеческого глаза лежит около 0.1 мм (100 мкм). Стандартный оптический микроскоп позволяет различать объекты размером примерно от 0.5 мкм, что сделало микрон удобной единицей для биологов и многих материаловедов. Интересно, что в определенных условиях, например, в луче света в темной комнате, глаз может уловить пылинки размером всего 10 мкм.
- Ангстрем (Å) — единица на порядки меньшая: 1 Å = 10⁻¹⁰ метра или 0.0001 мкм. Эта величина идеально подходит для описания размеров атомов и молекул и активно используется в работе с электронными микроскопами. Современные приборы такого типа способны «разглядеть» детали порядка 5 Å, что в тысячу раз меньше предела возможностей оптической микроскопии.
Обратите внимание: В Чехии проведены измерения самой глубокой пресноводной пещеры.
Атом как строительный блок материи
Чтобы понять, насколько мал ангстрем, необходимо обратиться к понятию атома. Атомы — это фундаментальные кирпичики, из которых состоит всё вещество во Вселенной. Их структура напоминает миниатюрную солнечную систему: массивное положительно заряженное ядро в центре и легкие, движущиеся по орбитам электроны, образующие электронное облако. Размеры атомов разных элементов различаются, но в среднем их можно представить как шарики диаметром около 2 Å.
Для наглядности: мельчайшая частица, видимая глазом, содержит в своем поперечнике примерно полмиллиона атомов. Оптический микроскоп позволяет увидеть объект, состоящий из двух тысяч атомов в поперечнике. Электронная микроскопия шагнула еще дальше, давая возможность наблюдать упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке. Специальные устройства, такие как ионный проектор, способны визуализировать и отдельные атомы, хотя их изображения остаются размытыми. Даже с развитием технологий и увеличением разрешающей способности приборов, увидеть детальную внутреннюю структуру атома остается чрезвычайно сложной задачей.
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Атомы, химия, единицы измерения.