Кристалічні і аморфні тіла
Ми живемо на поверхні твердого тіла – земної кулі, в будинках, побудованих з твердих тіл. Різні прилади, знаряддя праці зроблені з твердих тіл. Знати властивості твердих тіл необхідно.
Згадайте, що таке тверде тіло. Чим ми нехтували, коли в механіці вважали, що тіло абсолютно тверде?
Які фізичні властивості твердих тіл?
Які фізичні величини характеризують властивості твердих тіл?
Тверді тіла зберігають не тільки свій обсяг, як рідини, але і форму. Вони знаходяться переважно в кристалічному стані.
Запам’ятай
Кристали – це тверді тіла, атоми або молекули яких займають певні, впорядковані положення в просторі.
Тому кристали мають плоскі грані. Наприклад, крупинка звичайної кухонної солі має плоскі грані, складові один з одним прямі кути (рис. 12.1). Це можна помітити, розглядаючи сіль за допомогою лупи. А як геометрично правильна форма сніжинки! У ній також відбита геометрична правильність внутрішньої будови кристалічного твердого тіла – льоду (рис. 12.2).
Анізотропія кристалів. Однак правильна зовнішня форма не єдиний і навіть не найголовніший наслідок впорядкованої будови кристала.
Кристали мають плоскі грані
Важливо
Головний наслідок впорядкованої будови – це залежність фізичних властивостей кристала від вибраного в кристалі напряму.
Запам’ятай
Залежність фізичних властивостей від напряму усередині кристала називають анізотропією.
Шматок слюди легко розшаровується в одному з напрямків на тонкі пластинки
Насамперед впадає в очі різна механічна міцність кристалів по різних напрямах. Наприклад, шматок слюди легко розшаровується в одному з напрямків на тонкі пластинки (рис. 12.3), але розірвати його в напрямку, перпендикулярному пластинкам, набагато важче. Так само легко розшаровується в одному напрямку кристал графіту.
Коли ви пишете олівцем, таке розшарування графіту відбувається безперервно і його тонкі шари залишаються на папері.
Кристалічна решітка графіту має шарувату структуру
Це відбувається тому, що кристалічна решітка графіту має шарувату структуру. Шари утворені поряд паралельних сіток, що складаються з атомів вуглецю (рис. 12.4). Атоми розташовуються у вершинах правильних шестикутників. Відстань між шарами порівняно велика – приблизно в 2 рази більше, ніж довжина сторони шестикутника, тому зв’язки між шарами менш міцні, чим зв’язки усередині їх.
Багато кристалів по-різному проводять тепло і електричний струм в різних напрямах. Від напрямку залежать і оптичні властивості кристалів.
Всі кристалічні тіла анізотропні.
Монокристали і полікристали. Кристалічну структуру мають метали.
При падінні світла на кристал кварцу світловий потік розпадається на два потоки, що йдуть в кристалі за різними напрямками. Це явище отримало назву подвійного променезаломлення.
Метал складається з величезної кількості зрощених один з одним маленьких кристаликів
Якщо взяти порівняно великий шматок металу, то на перший погляд його кристалічну будову ніяк не проявляється ні в зовнішньому вигляді цього шматка, ні в його фізичних властивостях. Метали в звичайному стані не виявляють анізотропії.
Справа тут в тому, що зазвичай метал складається з величезної кількості зрощених один з одним маленьких кристаликів. Під мікроскопом або навіть за допомогою лупи їх неважко розглянути, особливо на свіжому зламі металу (рис. 12.5). Властивості кожного кристала залежать від напряму, але кристали орієнтовані по відношенню один до одного безладно. У результаті в об’ємі, що значно перевищує об’єм окремих кристалів, всі напрямки всередині металів рівноправні і властивості металів однакові в усіх напрямках.
Запам’ятай
Тверде тіло, що складається з великої кількості маленьких кристалів, називають полікристалічним. Одиночні кристали називають монокристалами.
Розчиніть в склянці з водою сіль, зробіть концентрований розчин. Опустіть в насичений розчин кілька кристаликів солі і залиште, поки вся вода не випарується. Подивіться, що залишиться в склянці. Зробіть висновки.
У звичайних умовах полікристалічне тіло утворюється в результаті того, що почався ріст багатьох кристалів продовжується до тих пір, поки вони не приходять в зіткнення один з одним, утворюючи єдине тіло.
До полікристалам відносяться не тільки метали. Шматок цукру, наприклад, також має полікристалічну структуру.
Дотримуючись великі обережності, можна виростити металевий кристал великих розмірів – монокристал.
Графен – двовимірний кристал
Ми говорили тільки про тривимірних кристалах. У 2004 р був отриманий графен – двовимірний кристал, що з одиночного шару атомів вуглецю і має ідеальну гексагональну решітку (рис. 12.6). У 30-х роках минулого століття було доведено, що двовимірні кристали нестійкі і легко руйнуються.
Однак графен має хвилеподібну структуру, що визначає його стійкість. Графен володіє унікальними властивостями – він міцний, має високу провідність і прозорий. З нього можна зібрати тривимірний кристал графіту.
За “передові досліди з двовимірним матеріалом – графеном” Андрію Костянтиновичу Гейму і Костянтину Сергійовичу Новосьолова була присуджена Нобелівська премія з фізики за 2010 рік.
Аморфні тіла. Крім твердих тіл, що мають кристалічну структуру, яка характеризується строгим порядком в розташуванні атомів, існують аморфні тверді тіла.
У аморфних тіл немає строгого порядку в розташуванні атомів. Тільки найближчі атоми-сусіди розташовуються в деякому порядку. Але суворої повторюваності по всіх напрямках одного і того ж елемента структури, яка характерна для кристалів, в аморфних тілах немає. По розташуванню атомів і з їхньої поведінки аморфні тіла аналогічні рідин. Часто одне і те ж речовина може знаходитися як в кристалічному, так і в аморфному стані. Наприклад, кварц Si02 може бути як в кристалічній, так і в аморфній формі (кремнезем). Кристалічну форму кварцу схематично можна представити у вигляді з правильних шестикутників (рис. 12.7, а). Аморфна структура кварцу також має такий вид, але неправильної форми. Разом з шестикутниками в ній зустрічаються п’яти – і семикутники (рис. 12.7, б).
(2 votes, average: 4.50 out of 5)