Твёрдое те́ло, агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Различают кристаллические (кристаллы) и аморфные твёрдые тела. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью равновесных положений атомов. В аморфных телах дальний порядок в расположении атомов отсутствует (дальний и ближний порядок). Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимальной внутренней энергией) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии.

Все вещества в природе затвердевают при атмосферном давлении и температуре $\text{T>0}$ К. Исключение составляет $\text{Не}$, который остаётся жидким при атмосферном давлении вплоть до $\text{Т=0}$ К. Для кристаллизации $\text{Не}$ необходимо давление 2,5 МПа при $\text{Т=1,5}$ К (гелий твёрдый).

Структурными единицами твёрдого тела являются атомы, молекулы и ионы (атомные частицы). Кристаллическая структура твёрдого тела зависит от сил, действующих между этими частицами. Одни и те же частицы могут образовывать различные структуры, например серое и белое олово, графит и алмаз (полиморфизм).

По типу связей между атомными частицами и по энергиям этих связей твёрдые тела делятся на ионные кристаллы, ковалентные кристаллы, металлические кристаллы, молекулярные кристаллы, кристаллы с водородными связями. Классификация по типам связей условна, во многих веществах наблюдается сочетание различных типов связи (кристаллохимия, химическая связь).

Силы, действующие между атомными частицами в твёрдом теле, имеют электромагнитную природу. Образование из атомов и молекул устойчивых твёрдых тел показывает, что силы притяжения на расстояниях порядка 10^–8 см уравновешиваются силами отталкивания. Знание сил взаимодействия позволяет получить уравнение состояния твёрдого тела.

Изменяя расстояние между атомами с помощью внешнего давления, можно существенно изменить величину межатомных взаимодействий, а следовательно, кристаллическую структуру и свойства твёрдого тела. Изменения структуры и свойств твёрдого тела происходят также при изменении температуры, под действием магнитных и электрических полей и при других внешних воздействиях (фазовый переход, структурные фазовые переходы).

При достаточном повышении температуры все твёрдые тела плавятся (или возгоняются). Подводимая к телу в процессе плавления теплота тратится на разрыв межатомных связей. Исключение составляет твёрдый $^{3}\text{Не}$, который в смеси с жидким $^{3}\text{Не}$ плавится под давлением при понижении температуры (Эффект Померанчука).

Колебательный характер движения атомных частиц в твёрдом теле сохраняется вплоть до температуры плавления $\text{T}_{пл}$. При $\text{Т}=\text{Т}_{пл}$ средняя амплитуда колебаний атомов значительно меньше межатомных расстояний, а плавление обусловлено тем, что термодинамический потенциал жидкости при $\text{Т}>\text{Т}_{пл}$ меньше термодинамического потенциала твёрдого тела. Квантование колебательного движения атомов, составляющих кристаллическую решётку, позволило ввести квазичастицы – фононы. В аморфных телах тепловое движение частиц также носит колебательный характер, однако фононы удаётся ввести только для низкочастотных акустических колебаний.

Динамическая теория кристаллической решётки позволила объяснить упругие свойства твёрдого тела, связав значения статических модулей упругости с силовыми константами. Тепловые свойства – температурный ход теплоёмкости (закон теплоёмкости Дебая), коэффициент теплового расширения и теплопроводности объясняются как результат изменения с температурой числа фононов и длины их свободного пробега. Оптические свойства, например поглощение фотонов ИК-излучения, объясняются резонансным возбуждением оптической ветви колебаний кристаллической решётки (динамика кристаллической решётки).

Одним из основных результатов квантового подхода к исследованию свойств кристаллических твёрдых тел явилась концепция квазичастиц. Квазичастицы существуют не в свободном пространстве (как частицы в реальных газах), а в кристаллической решётке, структура которой отражается в их свойствах. Знание структуры твёрдого тела и характера движения частиц позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за то или другое явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность – электронами проводимости и фононами, некоторые особенности поглощения света в твёрдых телах – экситонами, ферромагнитный резонанс – магнонами и т. д.

Твёрдое тело изучает физика твёрдого тела, в которой по объектам исследования выделяют отдельные области – физику металлов, физику полупроводников и диэлектриков, физику магнетиков, физику сверхпроводников, физику наноструктур и др. В результате объединения физики твёрдого тела и физики жидкости возник новый раздел – физика конденсированного состояния вещества. В современном понимании физика твёрдого тела – это квантовая физика конденсированных систем, состоящих из огромного числа частиц (порядка 10²² см^–3).

Механические свойства

Определяются силами связи между структурными частицами твёрдого тела. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механических свойств: одни твёрдые тела пластичны, другие – хрупки. С повышением температуры пластичность обычно увеличивается. При небольших статических нагрузках у всех твёрдых тел наблюдается упругая деформация (закон Гука). Прочность кристаллов не соответствует силам связи между атомами и обусловлена влиянием макроскопических дефектов на их поверхности. При больших механических нагрузках реакция кристалла зависит от наличия и количества в кристалле дефектов, в частности дислокаций. В большинстве случаев именно дислокации определяют пластичность твёрдого тела. Механические свойства твёрдых тел зависят также от их обработки, вносящей или устраняющей дефекты (отжиг, закалка, легирование, гидроэкструзия и т. п.).

Электронные свойства

Сближение атомов в твёрдом теле на расстояния порядка размеров самих атомов приводит к тому, что валентные электроны теряют связь со своими атомами и движутся по всему телу. Дискретные атомные уровни энергии расширяются в полосы (энергетические зоны), причём зоны разрешённых энергий могут быть отделены друг от друга зонами запрещённых энергий, но могут и перекрываться (зонная теория).

Состояние электрона в энергетической зоне характеризуется квазиимпульсом $\boldsymbol{p}$, а энергия электрона ${ℰ}$ является периодической функцией квазиимпульса: ${ℰ}={ℰ}l(\boldsymbol{p})$. Набор функций ${ℰ}l(\boldsymbol{p})$ – фундаментальная характеристика электронных состояний в кристалле, с помощью которой определяются основные динамические характеристики электронов (Блоховские электроны). В аморфных телах квазиимпульс ввести нельзя; строго запрещённых зон энергии в них нет, однако есть квазизапрещённые области, где плотность состояний меньше, чем в разрешённых зонах. Движение электрона с энергией из квазизапрещённой области локализовано, из разрешённой зоны – делокализовано (неупорядоченные системы).

Существование твёрдого тела с различными электрическими свойствами связано с характером заполнения электронами энергетических зон при $\text{Т=0}$ К. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие твёрдые тела не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками (изоляторами). Твёрдые тела, имеющие зоны, частично заполненные электронами, – проводники электрического тока – металлы. Полупроводники отличаются от диэлектриков малой шириной запрещённой зоны. Твёрдые тела с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости называют полуметаллами. Существуют бесщелевые полупроводники, зона проводимости которых примыкает к валентной зоне. Наличие дефектов и примесей в кристалле приводит к возникновению дополнительных примесных энергетических уровней, располагающихся в запрещённой зоне.

Энергетическая зона, в которой не заняты состояния с энергиями, близкими к максимальным, проявляет себя как зона, содержащая положительно заряженные частицы – дырки. Переход электрона при возбуждении в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Электроны частично заполненных зон (электроны проводимости) и дырки являются носителями заряда в твёрдом теле. Кроме того, в твёрдом теле существуют и более сложные образования: поляроны, экситоны Ванье – Мотта и Френкеля – в полупроводниках; куперовские пары – в сверхпроводниках (эффект Купера).

В металлах при низких температурах электроны проводимости не только проводят ток, но и играют важную роль в тепловых свойствах. Линейная зависимость теплоёмкости и коэффициента теплового расширения металла от температуры при $\text{Т→0}$ К объясняется тем, что электроны, подчиняющиеся статистике Ферми – Дирака, сильно вырождены. Вырождение сохраняется практически при всех температурах, т. к. температура вырождения для металлов порядка 10⁴ К. Поэтому при высоких температурах теплоёмкость металлов неотличима от теплоёмкости диэлектриков. Благодаря вырождению электронов в металлах в процессах переноса (электропроводность, теплопроводность) участвуют только электроны, расположенные вблизи поверхности Ферми. Большая часть теплоты в металлах переносится электронами проводимости. В широком диапазоне температур существует соотношение между электропроводностью и электронной теплопроводностью (закон Видемана – Франца).

Термоэлектрические явления (термоэдс, эффект Пельтье и др.) также возникают вследствие участия электронов в переносе теплоты. Магнитное поле изменяет электропроводность и теплопроводность твёрдого тела и служит причиной гальваномагнитных явлений и термогальваномагнитных явлений (эффект Холла, эффект Нернста – Эттингсхаузена и др.).

Коэффициент отражения электромагнитных волн металлом близок к 1, т. к. электромагнитные волны благодаря скин-эффекту практически не проникают в металл (металлооптика).

Свойства полупроводников легко изменяются при сравнительно слабых внешних воздействиях (изменение температуры и давления, освещение, введение примесей и т. п.), на этом основаны их многочисленные применения (полупроводниковые приборы). В некоторых полупроводниках, легированных большим числом примесей (сильнолегированные полупроводники), при низких температурах наступает вырождение газа носителей заряда, что сближает их с металлами.

Электронные свойства аморфных тел зависят от того, в какой области (разрешённой или квазизапрещённой) расположен уровень Ферми. Существование в аморфных телах аналога зонной структуры объясняет их деление на аморфные металлы (металлические стёкла), диэлектрики и полупроводники (аморфные и стеклообразные полупроводники).

Ряд металлов при охлаждении ниже некоторой критической температуры переходит в сверхпроводящее состояние (сверхпроводимость, сверхпроводники, высокотемпературные сверхпроводники).

Магнитные свойства

При достаточно высоких температурах все твёрдые тела либо диамагнитны (диамагнетизм), либо парамагнитны (парамагнетизм). При понижении температуры многие парамагнетики при некоторой критической температуре переходят либо в ферро-, либо в ферри-, либо в антиферромагнитное состояние, для которых характерна упорядоченная ориентация магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля (ферромагнетизм, ферримагнетизм, антиферромагнетизм). Характер упорядочения зависит от сил, действующих между магнитными моментами атомов. Эти силы имеют квантовое происхождение и обусловлены электростатическим взаимодействием между электронами (магнетизм, обменное взаимодействие).

Роль поверхности

Существенное влияние на свойства твёрдого тела оказывает его поверхность. Поверхность твёрдого тела играет определяющую роль в таких явлениях, как катализ, коррозия, рост кристаллов (кристаллизация, адсорбция, поверхностные состояния).