Класифікація конденсованих середовищ
З агрегатних станів речовини два – рідке і тверде – називаються конденсованими. В обох станах тіла являють собою сукупності сильно взаємодіючих частинок (атомів, електронів, ядер і т. Д.). Міжатомні відстані в цих тілах встановлюються так, щоб сили тяжіння і відштовхування були врівноважені. Тому конденсовані системи роблять великий опір зміні обсягу. Ті з них, які, крім цього, роблять сильний опір зміні форми, називають твердими системами, або твердими тілами. Рідини легко змінюють форму, але не об’єм. На кордоні між рідкими і твердими тілами знаходяться аморфні матеріали, які зберігають форму тривалий, але не нескінченно довгий час.
Більш детальна класифікація конденсованих середовищ може бути проведена на основі уявлень про характер взаємного розташування складових їх частинок. Для з’ясування структурних закономірностей, що виникають при конденсації системи частинок, запропонуємо модель, що грунтується на уявленні про систему, що складається з абсолютно нестискуваних і не притягуються один до одного куль [55].
Нехай модельна система складається із сукупності N нестискуваних куль радіуса R. Потенціал взаємодії таких куль U (r) (r – відстань між центрами куль) буде мати вигляд нескінченно високому щаблі (рис. 1.1).
В області I () величина потенціалу взаємодії прагнути до нескінченності, в області II (). Це означає, що взаємодія куль зводиться тільки до нескінченних силам відштовхування, що виникають при зіткненні куль. Розмістимо N нестискуваних куль хаотично в обсязі V і розглянемо структуру системи залежно від деякого параметра, назад пропорційного концентрації частинок. Тут – сумарний обсяг всіх куль, а – обсяг однієї кулі. Великим значенням параметра p () формально відповідає розбавлений розчин частинок в порожнечі, середня відстань між частинками в цьому випадку більше їх діаметра. Цей стан можна порівняти з моделлю ідеального газу.
Будемо зменшувати обсяг системи до тих пір, поки частки не почнуть стикатися один з одним. У цьому випадку середня відстань між ними стане, і сили відштовхування зупинять процес стиснення. При малих значеннях p отримаємо розбавлений розчин порожнечі в конденсаті частинок. Отже, конденсована стан можна охарактеризувати безперервної сіткою контактних, або, інакше кажучи, координаційних зв’язків, що проходять через весь об’єм системи. Цьому стану відповідають значення p ~ 1¸3 залежно від форми частинок і координаційного числа n, рівного числа найближчих сусідів, оточуючих дану частку системи. У нашій моделі такими частками є кулі, дотичні з яким-небудь даними кулею.
Подання про характер “структури” газу і конденсованої системи можна отримати на прикладі двовимірних діаграм (рис. 1.2), побудованих для частинок круглої і квадратної форми. “Структура” газу (якщо у випадку газу взагалі можна говорити про яку-небудь структурі) (рис. 1.2, а) неупорядкована, в ній відсутні дотичні частинки. Значення параметра p тут великі, а координаційне число. Якщо в газі утворюються молекули або тимчасові групи частинок, то можна говорити про внутрішньомолекулярних координаційних числах (наприклад, в молекулах водяної пари вони дорівнюють відповідно 1 і 2 для атомів водню і кисню). При цьому межмолекулярное координаційне число раніше залишається рівним нулю.
Конденсована система може знаходитися в двох принципово різних структурних станах: неврегульованих (“рідина”, рис. 1.2, б) і впорядкованому (“кристал”, рис. 1.2, в). У невпорядкованою структурі координаційне число від частки до частки флуктуірует біля середнього значення. Упорядкована структура характеризується законом періодичності. Його сенс у тому, що однакові або структурно еквівалентні частки мають рівні координаційні числа, де i – номер сімейства структурно еквівалентних частинок.
Моделлю тривимірної невпорядкованою системи може служити сипуча тіло (кульки, крупа, пісок і т. Д.), Насипати в посудину і ущільнюють силою тяжіння. При легкому струшуванні судини обсяг порожнеч зменшується, і щільність системи дещо зростає. З аналогічної причини (т. Е. Зменшення обсягу порожнеч) зменшується обсяг більшості рідин при кристалізації, і зростає координаційне число. Збільшення обсягу, що спостерігається при кристалізації деяких рідин (наприклад, води), пов’язане із зменшенням координаційного числа при переході рідина – кристал. Воно пояснюється утворенням в кристалі спрямованих зв’язків.
Структурний перехід від газу до рідини можна здійснити безперервно, шляхом одночасного стиснення по всьому об’єму газу. При досить великому ущільненні будь-якої системи нестискуваних частинок в ній виникає особливість, обумовлена закономірністю в розташуванні найближчих сусідів. Центри таких частинок будуть відстояти один від одного на відстанях, приблизно рівних діаметру частинок. Ця структурна закономірність, або кореляція, носить назву ближнього порядку. Кореляція в розташуванні перших сусідів викличе кореляцію в розташуванні друге і ряду наступних сусідів. Однак деякий розкид у відносному розташуванні частинок зі збільшенням відстані між ними зменшує ступінь кореляції при видаленні від будь-якої частинки системи, прийнятої в якості вихідної. Радіус області ближнього порядку, або радіус кореляції, визначає ступінь невпорядкованості структури. У рідинах і аморфних тілах цей радіус зазвичай становить кілька міжатомних відстаней.
Близький порядок є відмітною ознакою конденсованої системи і відсутня в розрідженому газі. У газі, стиснутому до щільності рідини або скла, навіть при температурах вище критичної, виникає ближній порядок. Близький порядок є наслідок несжимаемости частинок, т. Е. Геометрії, обумовленої силами відштовхування. Характеристикою невпорядкованою структури є функція розподілу частинок, яку ми розглянемо нижче в застосуванні до аморфних тіл.
Упорядкована система, відповідна деякому закону періодичності, володіє суворої кореляцією в розташуванні як близьких, так і як завгодно віддалених один від одного частинок. Це властивість системи частинок називається далеким порядком. Конденсована система з далеким порядком являє собою ідеальний кристал. У системі координат, пов’язаної з кристалічною структурою, можна точно вказати координати всіх її вузлових точок, положення яких визначає положення елементів структури (атомів, молекул, груп атомів).
Імовірність розподілу вузлів періодичної структури описується d-функцією, яка дорівнює нулю у всьому обсязі (), крім вузлових точок, в яких. Якщо провести через який-небудь елемент структури радіус-вектор, блукаючий, як промінь прожектора, і зафіксувати його положення в той момент, коли він зустріне інший вузол, то, продовживши його в просторі, отримаємо нескінченну пряму з періодично розташованими вузлами. Щільність ймовірності уздовж вузловий прямий можна зобразити періодичної “гребінкою” з нескінченно тонких зубців з висотою. Довжина періоду буде залежати від напрямку вузловий прямої в структурі [55].
(2 votes, average: 2.50 out of 5)