Кристаллические тела физика. Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела. Типы кристаллических решёток
Твердые те-ла в течение длительного вре-мени сохраняют свою форму и нужно приложить значительное усилие, чтобы изменить их объем.
В определении твердых тел мы, как пра-вило, связываем их свойства с внешними признаками — сохранением формы и объема. Тем не менее, между собой твердые тела различаются еще и внутренним строением. Одни из них имеют кристаллическое строе-ние — микрочастицы (атомы, ионы, моле-кулы), из которых они состоят, упорядоченно размещаются на значительных расстояниях, то есть сохраняют дальний порядок. Такие твердые тела называют кристаллическими. К ним относятся металлы, поваренная соль, са-хар, алмаз, графит, кварц и т. п.
Другие тела не имеют определенным об-разом упорядоченного размещения атомов, ионов или молекул и по своему внутрен-нему строению больше напоминают жид-кости, поскольку характеризуются ближним порядком размещения микрочастиц. Такие тела называют аморфными. Это — воск, стек-ло, различные смолы, пластмассы и т.п.
Кристаллические и аморфные тела можно различить визуаль-но: на изломе аморфные тела образуют поверхность непра-вильной формы, а кристаллы имеют плоские грани и ступенчатую поверхность.
Аморфное состояние довольно неустой-чивое, и со временем аморфные тела могут стать кристаллическими. Например, на са-харных леденцах, аморфных по своим свой-ствам, после продолжительного хранения образуются кристаллики сахара. Так же при определенных условиях кристаллические тела могут становиться аморфными. На-пример, быстрое остывание некоторых ме-таллов ведет к образованию их аморфного (стекловидного) состояния.
Аморфные тела имеют одинаковые свой-ства по различным направлениям межмолекулярных связей. Поэтому говорят, что они изотропны . С повышением температуры они «становятся мягче» и проявляют текучесть, однако не имеют, как кристаллические тела, фиксированной температуры плавления.
Слово «изотропный» происходит от гр. isos — ровный, одинако-вый; tropos — направление.
Кристаллические тела характеризуются определенным внутренним порядком разме-щения атомов и молекул, образующих раз-нообразные пространственные решетки, ко-торые называются кристаллическими. В зависимости от их формы разные моно-кристаллы вещества образовывают опреде-ленные геометрические формы. Так, моно-кристалл поваренной соли имеет форму ку-ба, лед — шестигранной призмы, алмаз — правильного шестигранника (рис. 3.12). Как правило, они незначительные по размеру, но в природе встречаются и большие мо-нокристаллы, например найдена глыба квар-ца высотой в рост человека.
В естественных условиях большинство кристаллических тел состоит из маленьких монокристаллов, которые в беспорядке сро-слись. Их называют поликристаллами. При-мером такого поликристалла является сне-жинка, приобретающая различные формы, однако крылышки ее всегда имеют шести-угольное направление. Материал с сайта
Монокристаллы отличаются анизотропией свойств, то есть их зависимостью от на-правления ориентации кристаллических гра-ней. Например, такой естественный мине-рал, как слюда, легко расслаивается на пла-стинки под действием силы вдоль одной плоскости, но проявляет значительную проч-ность в перпендикулярном направлении. По-ликристаллы — изотропны по своим свой-ствам. Это обусловливается хаотичностью ориентации монокристаллов, из которых они состоят.
Слово «анизотропный» в пере-воде с греческого означает «не-одинаковый по направлению».
Много кристаллических тел, одинаковых по своему химическому составу, имеют раз-личные физические свойства. Такое явление называется полиморфизмом. Например, по химической природе алмаз и графит — это углерод в двух разных модификациях. Они имеют различные по форме кристалличес-кие решетки, и потому силы взаимодействия между атомами в них разные. Этим объяс-няется, в частности, их разная твердость: графит — мягкий, алмаз — твердый минерал.
В лабораторных условиях по-лучают около десяти модифи-каций льда, хотя в природе су-ществует лишь одна.
На этой странице материал по темам:
Кристаллические и аморфные тела сообщение кратко
Кристаллические тела доклад кратко
Аморфное тело не может со временем превратиться в кристаллическое
Механическое свойства твердых тел доклад кратко
Кристаллические аморфные тела кратко
Вопросы по этому материалу:
Твёрдое тело является одним из четырёх фундаментальных состояний материи, кроме жидкости, газа и плазмы. Оно характеризуется структурной жёсткостью и устойчивостью к изменению формы или объёма. В отличие от жидкости, твёрдый объект не течёт, не принимает форму контейнера, в который его помещают. Твёрдое тело не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объём, как это делает газ.
Атомы в твёрдом теле тесно связаны друг с другом, находятся в упорядоченном состоянии в узлах кристаллической решётки (это металлы, обычный лёд, сахар, соль, алмаз), или располагаются нерегулярно, не имеют строгой повторяемости в структуре кристаллической решётки (это аморфные тела, такие как оконное стекло, канифоль, слюда или пластмасса).
Кристаллические тела
Кристаллические твёрдые тела или кристаллы имеют отличительную внутреннюю особенность - структуру в виде кристаллической решётки, в которой определённое положение занимают атомы, молекулы или ионы вещества.
Кристаллическая решётка приводит к существованию особенных плоских граней у кристаллов, которые отличают одно вещество от другого. При воздействии рентгеновских лучей, каждая кристаллическая решётка излучает характерный рисунок, который можно использовать для идентификации вещества. Грани кристаллов пересекаются под определёнными углами, отличающими одно вещество от другого. Если кристалл расщепить, то новые грани будут пересекаться под теми же углами, что у исходного.
Например, galena - галенит, pyrite - пирит, quartz - кварц. Грани кристалла пересекаются под прямым углом в галените (PbS) и пирите (FeS 2), под другими углами в кварце.
Свойства кристаллов
- постоянный объём;
- правильная геометрическая форма;
- анизотропия - различие механических, световых, электрических и тепловых свойств от направления в кристалле;
- чётко определённая температура плавления, так как она зависит от регулярности кристаллической решётки. Межмолекулярные силы, удерживающие твёрдое вещество вместе, однородны, и требуется одинаковое количество тепловой энергии, чтобы одновременно разорвать каждое взаимодействие.
Аморфные тела
Примерами аморфных тел, не имеющих строгой структуры и повторяемости ячеек кристаллической решётки, являются: стекло, смола, тефлон, полиуретан, нафталин, поливинилхлорид.
Они имеют два характерных свойства: изотропность и отсутствие определённой температуры плавления.
Изотропность аморфных тел понимают, как одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям.
В аморфном твёрдом теле расстояние до соседних узлов кристаллической решётки и количество соседних узлов изменяется по всему материалу. Поэтому, чтобы разорвать межмолекулярные взаимодействия, требуется различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные вещества медленно размягчаются в широком диапазоне температур и не имеют чёткой температуры плавления.
Особенностью аморфных твёрдых тел является то, что при низких температурах они имеют свойства твёрдых тел, а при повышении температуры - свойства жидкостей.
Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.
Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней "упаковке" частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.
В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность - главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.
Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.
Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, "сросшихся" между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.
Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.
Аморфные - не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, К созданию искусственных аморфных тел причастен человек - стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. не имеют вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому для какого-либо аморфного тела изотропны - одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.
Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!
Свойства жидкостей
1. Характеристика жидкого состояния. Ближний порядок.
2. Поверхностное натяжение. Силы, возникающие на кривой поверхности. Формула Лапласа. Смачивание и капиллярные явления.
1. Характеристика жидкого состояния. Жидкое состояние, занимает промежуточное положение между газами и кристаллами , сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. Для кристаллического состояния характерно упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул), в газах в этом смысле полный хаос. Согласно рентгенографическим исследованиям, в отношении характера расположения частиц жидкости занимают промежуточное положение.
В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок . Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным . Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится всё менее упорядоченным и довольно быстро порядок в расположении частиц полностью исчезает.
В кристаллах имеет место дальний порядок – упорядоченное расположения частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объёма .
Оценить структуру вещества позволяет радиальная функция распределения (в некоторых учебниках она называется парной функцией распределения). Выберем некоторую молекулу в качестве тела отсчёта. Среднее число молекул в сферическом слое объёмом , находящихся на расстоянии r от выбранной молекулы (Рис. 10.1) обозначим dN(r) . Вероятность обнаружить молекулы в этом сферическом слое
случае идеального газа никакие элементы объёма не имеют преимущества и вероятность нахождения частицы в данном объёме пропорционально объёму и g(r)= 1.
В идеальном кристалле структура жёсткая и все взаимные расстояния являются фиксированными (Рис. 10.2).
Пики соответствует узлам решётки, а конечная ширина линии g(r) является следствием колебаний атомов относительно узла в реальном кристалле.
более сглажены, чем у кристалла). На дальних расстояниях кривая стремится к 1 как для идеального газа.
упорядочена только ориентация , взаимное же расположение, как и в обычных жидкостях, дальнего порядка не обнаруживает .
2. Поверхностное натяжение .
Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния r (радиус молекулярного действия). На каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r , будет действовать сила, направленная внутрь жидкости (Рис. 10.5).
на увеличение потенциальной энергии молекулы . То есть в поверхностном слое молекулы обладают дополнительной потенциальной энергией - поверхностной .
Из-за наличия действующих на молекулы в поверхностном слое сил, направленных внутрь жидкости, жидкость стремится к сокращению своей поверхности , как если бы она была заключена в упруго растянутую плёнку, стремящуюся сжаться (никакой плёнки на самом деле нет).
Представим плёнку жидкости (например, мыльную плёнку), натянутую на проволочную рамку, одна из сторон которой (перемычка) может перемещаться (Рис. 10.6). Благодаря стремлению поверхности уменьшиться, на проволочку будет действовать сила. Она направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура (длина перемычки), на который она действует ().
равную силе натяжения плёнки, т.е. . Коэффициент 2 появляется из-за того, что плёнка имеет два поверхностных слоя.
Жидкость вне поля внешних сил будет принимать форму с минимальной поверхностью, т.е. форму шара .
Давление под искривлённой поверхностью .
В случае искривлённой поверхности силы поверхностного натяжения стремятся сократить эту поверхность. (Рис. 10.7).
давление в случае неискривлённой поверхности, причём >0 в случае выпуклой поверхности, и <0, если поверхность вогнутая (в этом случае поверхностный слой, стремится сократиться, растягивает жидкость и давление уменьшается).
Вычислим дополнительное давление для сферической поверхности жидкости. Рассечём мысленно сферическую каплю жидкости диаметральной плоскостью на два полушария. Из-за поверхностного натяжения
Лаплас обобщил эту формулу на поверхность любой формы.
Формула Лапласа выглядит так:
Смачивание и капиллярные явления .
Смачивание – явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости . Выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности . Смачивание вызывает образование мениска в капиллярной трубке, определяет форму капли на твёрдой поверхности и др. (Заметим, что обычно смачивание рассматривают как результат межмолекурного взаимодействия, однако смачивание может быть результатом химической реакции, диффузионных процессов).
Мерой смачивания обычно служит краевой угол между касательными к поверхности жидкости . (Рис. 10.10). Если , то говорят, что
где коэффициенты поверхностного натяжения жидкости на границах: твёрдое тело – газ, твёрдое тело – жидкость, жидкость – газ. Сокращая на , получим для краевого угла соотношение :
(Например, полное смачивание будет при ).
Смачивание имеет важное значение в промышленности . Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, пайке. Примеси сильно сказываются на величине поверхностного натяжения. Например, растворение в воде мыла уменьшает её коэффициент поверхностного натяжения почти в 1,5 раза (что, в частности и обуславливает использование мыла в качестве моющего средства). Несмачивание может приводить к тому, что из решета, нити которого покрыты парафином (при небольшом уровне воды), вода не выливается, опровергая известную поговорку.
Капиллярные явления.
Существование смачивания и краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую. Такого рода изогнутые поверхности жидкости называются мениском. (рис. 10.11)
| Смачивание | Несмачивание |
| Рис. 10.11 |
Под искривлённой поверхностью в капилляре давление будет отличаться от давления под плоской поверхностью на величину . Между жидкостью в капилляре и в широком сосуде устанавливается такая разность уровней , чтобы гидростатическое давление уравновешивало капиллярное давление . В случае сферической формы мениска
Радиус кривизны мениска выразим через краевой угол и радиус капилляра r , тогда ,
В случае смачивания и высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем меньше радиус капилляра r .
Капиллярное явление занимает в жизни человека исключительную роль . Снабжение влагой растений, деревьев происходит именно с помощью капилляров, которые есть в каждом растении. Капиллярные явления могут играть и отрицательную роль. Например, в строительстве. Необходимость гидроизоляции фундаментов зданий вызвана капиллярными явлениями.
Вопросы для самоконтроля
1.Охарактеризуйте жидкое состояние в сравнении с кристаллами и газами.
2.Что такое дальний и ближний порядок?
3.Что позволяет сделать радиальная функция распределения? Нарисуйте ее для кристаллов, жидкостей и газов.
4.Что такое коэффициент поверхностного натяжения?
6.Что такое смачивание? Что является мерой смачивания? Приведите примеры процессов, для которых необходимо хорошее смачивание.
7.От чего зависит высота поднятия жидкости в капилляре?
Лекция №5 (11)
Свойства твёрдых тел
1. Аморфные и кристаллические тела. Строение и типы кристаллов. Де
фекты в кристаллах.
2. Механические свойства кристаллов. Механизм пластической деформа-
ции. Деформация упругого растяжения. Закон Гука.
Аморфные и кристаллические тела.
В аморфных телах существует ближний порядок расположения атомов. Кристаллы обладают дальним порядком расположения атомов. Аморфные тела изотропны, кристаллические – анизотропны .
При охлаждении и нагревании кривые зависимости температуры от времени различны для аморфных и кристаллических тел. Для аморфных тел переход из жидкого в твёрдое состояние может быть десятки градусов. Для кристаллов температура плавления постоянна. Возможны случаи, когда одно и тоже вещество, в зависимости от условий охлаждения, может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном твёрдом состоянии. Например, стекло при очень медленном охлаждении расплава может кристаллизоваться . При этом на границах мелких образующихся кристаллов будет происходить отражение и рассеяния света, и закристаллизованное стекло теряет прозрачность.
Кристаллическая решётка . Основным свойством кристаллов является регулярность расположения в них атомов. О совокупности точек, в которых расположены атомы (точнее атомные ядра), говорят как о кристаллической решётке , а сами точки называются узлами решётки .
Основной характеристикой кристаллической решётки является пространственная периодичность её структуры: кристалл как бы состоит из повторяющихся частей (ячеек).
Мы можем разбить кристаллическую решётку на совершенно одинаковые параллелепипеды, содержащие одинаковое количество одинаково расположенных атомов. Кристалл представляет собой совокупность параллелепипедов , параллельно сдвинутых по отношению друг к другу. Если сместить кристаллическую решётку параллельно самой себе на расстояние длины ребра, то решётка совместится сама с собой. Эти смещения называются трансляции , а симметрии решётки по отношению к этим смещениям говорят как о трансляционной симметрии (параллельный перенос, поворот относительно оси, зеркальное отражение и т.п.).
Если в вершине какой-либо элементарной ячейки находится атом, то такие же атомы должны, очевидно, находиться и во всех остальных вершинах этой и других ячеек. Совокупность одинаковых и одинаково расположенных атомов называется решёткой Браве данного кристалла. Она представляет как бы скелет кристаллической решётки , олицетворяющий собой всю её трансляционную симметрию, т.е. всю её периодичность.
Классификация различных типов симметрии кристаллов основывается, прежде всего, на классификации различных типов решёток Браве .
Наиболее симметричной решёткой Браве является решётка, имеющая симметрию куба (кубическая система). Существует три различных
| решётки Браве, относящихся к кубической системе: простая | , | ||
| объемно-центрированная (в центре куба – атом), гранецентрированная (кроме атомов в вершинах – ещё по атому в | |||
центрах всех их граней). Кроме кубической есть тетрагональная, ромбическая, моноклинная и другие (рассматривать не будем).
Решётка Браве, вообще говоря, не включает в себя всех атомов в кристалле. Реальная кристаллическая решётка может быть представлена как совокупность нескольких решёток Браве, вдвинутых одна в другую .
Физические типы кристаллов .
По роду частиц, из которых построена кристаллическая решётка, по характеру сил взаимодействия между ними, различают ионные, атомные, металлические и молекулярные кристаллы.
1. Ионные кристаллы . В узлах кристаллической решётки располагаются попеременно положительные и отрицательные ионы. Эти ионы притягиваются друг к другу электростатическими (кулоновскими) силами. Пример: решётка каменной соли (рис. 11.1).
| Рис. 11.1 |
2. Атомные кристаллы . Типичными представителями являются графит и алмаз . Связь между атомами – ковалентная . В этом случае каждый из валентных электронов входит в электронную пару, связывающую данный атом с одним из соседей.
3. Металлические кристаллы . Решётки состоят из положительно заряженных ионов , между которыми находятся “свободные” электроны . Эти электроны ”коллективизированы“ и могут рассматриваться как своего рода ”электронный газ“. Электроны играют роль “цемента”, удерживая “+” ионы, иначе решётка распалась бы. Ионы же удерживают электроны в пределах решётки.
4. Молекулярные кристаллы . Примером является лёд. В узлах – молекулы , которые связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса , т.е. силами взаимодействия молекулярных электрических диполей .
Могут быть одновременно несколько видов связей (например, в графите – ковалентная, металлическая и Ван-дер-Ваальсовская).
Дефекты в кристаллах .
В реальных кристаллических решётках существует отклонения от идеального расположения атомов в решётках, которые мы до сих пор рассматривали. Все такие отклонения называются дефектами кристаллической решётки .
Точечные дефекты – такие, при которых нарушается ближний порядок :
Другой вид дефектов – дислокации – линейные дефекты кристаллической решётки, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей . Они нарушают дальний порядок , искажая всю его структуру. Они играют важную роль в механических свойствах твёрдых тел. Простейшие типы дислокаций краевая и винтовая. В случае краевой дислокации лишняя кристаллическая плоскость вдвинута между соседними слоями атомов (рис. 11.5).
В случае винтовой дислокации часть кристаллической решётки сдвинута относительно другой (рис. 11.6)
4. . 5. . 6. . 7. .
Каждый может легко разделить тела на твердые и Жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Особую группу твердых тел составляют такие, для которых зависимость температуры от времени нагревания представлена на рисунке 12. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой . Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.
Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.
Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны . Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.
Упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. По характеру смещения частиц твердого тела происходящие при изменении его формы деформации делятся на: растяжение - сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для упругих деформаций справедлив закон Гук, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения - сжатия закон Гука имеет вид: , где - механическое напряжение, - относительное удлинение, - абсолютное удлинение, - модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.