Кристалічна решітка
Льодяна бурулька і клинок шаблі, залізничний рейок і кристал рубінового лазера, уламок цеглини і красуня-сніжинка, корпус повітряного лайнера і розпечена нитка електролампи – все це тверді тіла. Що у них спільного і що відрізняє ці тіла від інших тіл?
У фізиці твердими тілами зазвичай називають тільки кристалічні тіла. Основним зовнішнім ознакою твердого тіла є його правильна від природи кристалічна форма та плоскогранности. Правильність форми виражена в його симетрії, тобто у властивості поєднуватися в різних положеннях з положенням вихідним. Якщо кубічний кристал NaCl повернути на 90º навколо осі, що проходить через центри протилежних граней, кристал суміститься з вихідним становищем. При повному повороті на 360º кристал NaCl поєднується з вихідним положенням чотири рази. Прийнято говорити, що кристал NaCl володіє трьома осями симетрії четвертого порядку (рис. 5.1а). Легко переконатися, що цей же кристал володіє чотирма осями симетрії третього порядку (об’ємні діагоналі куба, рис. 5.1б) і шістьма осями другого порядку (вони проходять через центри протилежних ребер, рис. 5.1в). Крім осей симетрії існують і інші елементи симетрії – центр симетрії, площина симетрії. Взагалі кажучи, властивість симетрії кристала (або будь-якої фігури) полягає в тому, що в результаті деяких уявних операцій система частинок кристала (або взагалі будь-якої системи точок) поєднується сама з собою, переходить в положення, неотличимое від початкового.
Експериментально встановлено, що властивості кристалів в різних напрямах різні. Швидкість поширення світла, теплопровідність, міцність і інші фізичні властивості в значній мірі залежать від напрямку в кристалі. Це означає, що кристали анізотропні. Однією з характерних особливостей кристалічних тіл є існування у них при постійному тиску певної температури плавлення, незмінною для кожної речовини.
Кристали можна отримати різними способами, наприклад, охолодженням рідини. При такому охолодженні, якщо не вжити запобіжних заходів, в рідкій фазі виникає багато центрів кристалізації, навколо яких відбувається утворення твердої фази. Виникає безліч дрібних кристалів, що зливаються один з одним і утворюють так зване полікристалічне тіло. Хоча кожен з кристаликів, що утворюють таке тіло, анизотропен, але зважаючи хаотичності орієнтування цих кристаликів полікристалічне тіло є ізотропним.
Якщо в охолоджувану рідину ввести затравку – маленький кристалик, – то кристалізація починається на ньому, і можна виростити великий монокристал правильної форми. У природі нерідко зустрічаються великі монокристали кварцу, які є продуктом тривалих процесів, що відбуваються в земній корі. Наприклад, монокристали кварцу, хімічний склад якого той же, що у річкового піску (SiO2), виростає до десятків сантиметрів у поперечнику. На Україні і на Уралі були знайдені монокристали кварцу, висота яких дорівнювала 85 і 83 см, а маси відповідно були рівні 800 і 500 кг.
Симетрія зовнішньої форми і симетрія фізичних властивостей викликані симетрією внутрішньої будови кристалів. Кристал кожної речовини характеризується деякими властивими йому ознаками. Такими ознаками, як це помітив ще Ломоносов, є кути між гранями і, як наслідок цього, характерна форма кожного кристала. Якщо з кристала, що має певну характерну форму, виточити кульку і помістити в насичений розчин речовини кристала, то форма кристала буде прагнути відновитися. Причиною відновлення форми кристала є добре відоме умова стійкості рівноваги термодинамічної системи. Для кристалів ця умова виражено в принципі, сформульованому Гиббсом, Кюрі і Вульфом: поверхнева енергія кристала повинна бути мінімальною. Характерні для даного кристала умови мінімуму поверхневої енергії відповідають його структурі: кутку між гранями, їх розмірами і т. д.
Чому ж така красива, правильна форма кристалів? Грані його блискучі й рівні, виглядають так, як ніби над ними потрудився вправний майстер. Окремі частини кристала повторюють одна одну, утворюючи красиву симетричну форму. Відповідь на поставлене питання може бути лише один – зовнішній красі повинна відповідати внутрішня правильність. Ця правильність полягає в багаторазовому повторенні одних і тих же частин. Дослідження методами рентгенівського аналізу показали, що правильна форма кристалів, наприклад, NaCl, викликана правильним розташуванням у просторі іонів Na + і Cl-, відстані між іонами в кристалі строго рівні у кожному даному напрямку. Ця особливість кристалічних тіл визначається поняттям “далекий порядок”.
Рис. 5.2
Найменша кількість атомів кристала, що зберігає при зменшенні його розмірів притаманний даному кристалу дальній порядок, називається елементарною клітинкою.
В даний час відомо будову багатьох сотень кристалів. Розглянемо будову найпростіших з них, і насамперед тих, які побудовані з атомів одного сорту.
Найбільш сильно на властивості твердих тіл впливає зміна температури. При цьому можуть змінюватися навіть форма і будова кристаликів (їх просторова решітка). Так, наприклад, залізо при кімнатній температурі має кристалічну решітку іншу, ніж при більш високих температурах. При нагріванні залізо переходить в інші кристалічні форми (всього існують чотири кристалічні форми заліза). При переході з одного кристалічного стану в інший поглинається або виділяється деяка кількість теплоти.
Цікавий процес відбувається при загартуванню стали. У ході цього процесу охолодження відбувається настільки швидко, що сталь не встигає перейти з того кристалічного стану, в якому вона перебувала при високій температурі, в той стан, в якому вона повинна була б знаходитися при кімнатній температурі. У холодному стані перекристалізація вкрай уповільнена, і сталь залишається в кристалічному стані, відповідному високій температурі. При цьому вона стає дуже міцною і крихкою. Можна дозволити стали перекристалізованої, для цього її потрібно знову нагріти і повільно охолодити. Ця процедура називається відпусткою.
Крім кристалічних тіл, які характеризуються далеким порядком, тобто правильної повторюваністю розташування атомів на великих відстанях, існують так звані аморфні тіла, які, подібно рідин, володіють лише ближнім порядком.
Істотно, що в тілах, що знаходяться в аморфному стані, не можна виявити навіть дуже малих областей, усередині яких спостерігалася б залежність фізичних властивостей від напрямку. Теплові, електричні та оптичні властивості аморфних тіл виявляються абсолютно однаковими, незалежно від напрямку.
У аморфному стані можуть знаходитися і такі речовини, які зазвичай мають кристалічну будову. Так, наприклад, кристал кварцу, якщо його розплавити (Тпл. = 1700 ° С), при охолодженні утворює плавлений кварц, який за своїми властивостями значно відрізняється від кристалічного і має меншу щільність.
Особливо сильно відрізняються кристалічні і аморфні тіла за своїми теплових властивостях. Кристалічні тіла мають цілком певною температурою плавлення. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Коефіцієнт теплопровідності плавленого кварцу в чотири рази менше, ніж коефіцієнт теплопровідності кристалічного кварцу. При нагріванні аморфне тіло розм’якшується, його молекули все легше і легше змінюють своїх найближчих сусідів, в’язкість його зменшується. Тверді ж аморфні тіла можна розглядати як дуже в’язкі рідини.
Аморфний стан речовини, взагалі кажучи, – нестійкий стан. Після деякого часу аморфна речовина переходить в кристалічний. Нерідко, однак, час це буває досить значним і вимірюється роками і десятиліттями.
Типовим прикладом аморфного стану є скло (аморфний сплав силікатів). Аморфними є каніфоль, цукровий льодяник і багато інших тіла. Всі ці речовини з часом мутніють (скло “расстекловивается”, льодяник “зацукровується” і т. п.). Це помутніння пов’язано з появою усередині скла або льодяника дрібних кристаликів, оптичні властивості яких інші, ніж навколишнього їх аморфної середовища.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)