Аморфные твердые тела по многим своим свойствам и главным образом по микроструктуре следует рассматривать как сильно переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Структура таких тел характеризуется только ближним порядком в расположении частиц. Некоторые из таких веществ вообще не способны кристаллизоваться: воск, сургуч, смолы. Другие при определённом режиме охлаждения образуют кристаллические структуры, но в случае быстрого охлаждения рост вязкость препятствует упорядочению в расположении частиц. Вещество затвердевает раньше, чем реализуется процесс кристаллизации. Такие тела называются стеклообразными: стекло, лёд. Процесс кристаллизации в таком веществе может произойти и после затвердевания (помутнение стёкол). К аморфным относят и твёрдые органические вещества: резина, дерево, кожа, пластмассы, шерстяные, хлопковые и шёлковые волокна. Процесс перехода таких веществ из жидкой фазы в твёрдую представлен на рис. – кривая I.

Аморфные тела не имеют температуры затвердевания (плавления). На графике Т = f(t) имеется точка перегиба, которую называют температурой размягчения. Снижение температуры приводит к постепенному росту вязкости. Такой характер перехода в твёрдое состояние, обуславливает отсутствие у аморфных веществ удельной теплоты плавления. Обратный переход, когда теплота подводится, происходит плавное размягчение до состояния жидкости.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА.

Характерной особенностью микроструктуры кристаллов является пространственная периодичность их внутренних электрических полей и повторяемость в расположении кристаллообразующих частиц – атомов, ионов и молекул (дальний порядок). Частицы чередуются в определенном порядке вдоль прямых линий, которые называются узловыми. В любом плоском сечении кристалла две пересекающихся системы таких линий образуют совокупность совершенно одинаковых параллелограммов, которые плотно, без зазоров покрывают плоскость сечения. В пространстве пересечение трех некомпланарных систем таких линий образует пространственную сетку, которая разбивает кристалл на совокупность совершенно одинаковых параллелепипедов. Точки пересечения линий, образующих кристаллическую решетку называются узлами. Расстояния между узлами вдоль какого-то направления называется трансляциями или периодами решетки. Параллелепипед, построенный на трех некомпланарных трансляциях называется элементарной ячейкой или параллелепипедом повторяемости решетки. Важнейшим геометрическим свойством кристаллических решеток является симметрия в расположении частиц по отношению к определенным направлениям и плоскостям. По этой причине, хотя и существует несколько способов выбора элементарной ячейки, для данной кристаллической структуры, выбирают ее так, чтобы она соответствовала симметрии решетки.

Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Для монокристаллов наблюдается единая кристаллическая решетка в объеме всего тела. И хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть разной, углы между соответствующими гранями будут всегда одинаковыми. Характерной особенностью монокристаллов является анизотропия механических, тепловых, электрических, оптических и др. свойств.

Монокристаллы нередко встречаются в естественном состоянии в природе. Например, большинство минералов – хрусталь, изумруды, рубины. В настоящее время в производственных целях многие монокристаллы выращивают искусственно из растворов и расплавов - рубины, германий, кремний, арсенид галия.

Один и тот же химический элемент может образовать несколько, отличающихся по геометрии, кристаллических структур. Это явление получило название - полиморфизма. Например, углерод – графит и алмаз; лед пять модификаций и др.

Правильная внешняя огранка и анизотропия свойств, как правило, не проявляются для кристаллических тел. Это объясняется тем, что кристаллические твердые тела обычно состоят из множества беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. Такие твердые тела называются поликристаллическими. Связано это с механизмом кристаллизации: при достижении необходимых для этого процесса условий, очаги кристаллизации одновременно возникают во множестве мест исходной фазы. Зародившиеся кристаллы расположены и ориентированы друг по отношению к другу совершенно произвольно. По этой причине по окончании процесса мы получаем твердое тело в виде конгломерата сросшихся мелких кристалликов – кристаллитов.

С энергетической точки зрения различие между кристаллическими и аморфными твердыми телами хорошо прослеживаются в процессе отвердевания и плавления. Кристаллические тела имеют точку плавления – температуру, когда вещество устойчиво существует в двух фазах – твёрдой и жидкой (рис. кривая 2). Переход молекулы твердого тела в жидкость означает, что она приобретает дополнительно три степени свободы поступательного движения. Т.о. единица массы вещества при Т пл. в жидкой фазе имеет большую внутреннюю энергию, чем такая же масса в твердой фазе. Кроме того, меняется расстояние между частицами. Поэтому в целом количество теплоты необходимое для превращения единицы массы кристаллического вещества в жидкость будет:

λ = (U ж -U кр) + P (V ж -V кр),

где λ – удельная теплота плавления (кристаллизации), (U ж -U кр) – разность внутренних энергий жидкой и кристаллической фаз, Р – внешнее давление, (V ж -V кр) – разность удельных объемов. Согласно уравнению Клапейрона - Клаузиуса температура плавления зависит от давления:

Видно, что если (V ж -V кр)> 0, то > 0, т.е. с ростом давления температура плавления повышается. Если же объем вещества при плавлении уменьшается (V ж -V кр)< 0 (вода, висмут), то рост давления приводит к понижению Т пл.

У аморфных тел теплота плавления отсутствует. Нагревание приводит к постепенному увеличению скорости теплового движения и уменьшению вязкости. На графике процесса имеется точка перегиба (рис.), которую условно называют температурой размягчения.

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Тепловое движение в кристаллах из-за сильного взаимодействия ограничивается только колебаниями частиц около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний обычно не превращает 10 -11 м, т.е. составляет всего 5-7% периода решетки вдоль соответствующего направления. Характер этих колебаний весьма непрост, так как определяется силами взаимодействия колеблющейся частицы со всеми своими соседями.

Рост температуры означает увеличение энергии движения частиц. Это в свою очередь, означает увеличение амплитуды колебаний частиц и объясняет расширение кристаллических твердых тел при нагревании.

l t = l 0 (1 + αt 0),

где l t иl 0 – линейные размеры тела при температурахt 0 и 0 0 С, α – коэффици-ент линейного расширения. Для твёрдых тел α имеет порядок 10 -5 – 10 -6 К -1 . В результате линейного расширения увеличивается и объём тела:

V t = V 0 (1 + βt 0),

здесь β – коэффициент объёмного расширения. β = 3α в случае изотропного расширения. Монокристаллические тела, будучи анизотропными, имеют три разных значения α.

Каждая частица, совершающая колебания, имеет три степени свободы колебательного движения. Учитывая, что, кроме кинетической, частицы обладают еще и потенциальной энергией, на одну степень свободы частиц твёрдых тел следует приписать энергию ε = кТ. Теперь для внутренней энергии моля будем иметь:

U μ = 3N A kT = 3RT,

а для молярной теплоемкости:

Т.е. молярная теплоемкость химически простых кристаллических тел одинакова и не зависит от температуры. Это закон Дюлонга-Пти.

Как показал эксперимент, этот закон достаточно хорошо выполняется, начиная с комнатных температур. Объяснения отклонениям от закона Дюлонга-Пти при низких температурах были даны Эйнштейном и Дебаем в квантовой теории теплоемкости. Было показано, что энергия, которая приходится на одну степень свободы не является постоянной величиной, а зависит от температуры и частоты колебаний.

РЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ. ДЕФФЕКТЫ В КРИСТАЛАХ

Реальные кристаллы обладают рядом нарушений идеальной структуры, которые называются дефектами кристаллов:

а) точечные дефекты –

дефекты Шотки (незанятые частицами узлы);

дефекты Френкеля (смещение частиц из узлов в междуузлия);

примеси (внедренные чужеродные атомы);

б) линейные – краевые и винтовые дислокации. Это локальные нерегулярно

сти в расположения частиц

из-за недостроенности отдельных атомных плоскостей

или из-за нарушений в последовательности их застройки;

в) плоскостные – границы между кристаллитами, ряды линейных дислокаций.

Наряду с кристаллическими твердыми телами встречаются аморфные твердые тела. У аморфных тел в отличие от кристаллов нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи - располагаются в некотором порядке. Но

строгой повторяемости во всех направлениях одною того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.

Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис. 77, а). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис. 77, б).

Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны: их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам принадлежат стекло, многие пластмассы, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкостям. При кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердое тело и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Так, например, кусок смолы постепенно растекается по твердой поверхности. Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения

равновесия в другое. Никакой определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.

Физика твердого тела. Все свойства твердых тел (кристаллических и аморфных) могут быть объяснены на основе знания их атомно-молекулярной структуры и законов движения молекул, атомов, ионов и электронов, слагающих твердые тела. Исследования свойств твердых тел объединены в большой области современной физики - физики твердого тела. Развитие физики твердого тела стимулируется в основном потребностями техники. Приблизительно половина физиков мира работает в области физики твердого тела. Разумеется, достижения в этой области немыслимы без глубоких знаний всех остальных разделов физики.

1. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных? 2. Что такое анизотропия? 3. Приведите примеры монокристаллических, поликристал-лических и аморфных тел. 4. Чем отличаются краевые дислокации от винтовых?

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.

«Физика - 10 класс»

Кроме твёрдых тел, имеющих кристаллическую структуру, которая характеризуется строгим порядком в расположении атомов, существуют аморфные твёрдые тела.

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы-соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет. По расположению атомов и по их поведению аморфные тела аналогичны жидкостям. Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии.

Теоретические исследования приводят к получению твёрдых тел, свойства которых совершенно необычны. Получить такие тела методом проб и ошибок было бы невозможно. Создание транзисторов, о которых пойдёт речь в дальнейшем, - яркий пример того, как понимание структуры твёрдых тел привело к революции во всей радиотехнике.

Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами - одно из основных направлений современной физики твёрдого тела.

В предыдущем параграфе мы узнали, что некоторые твёрдые тела (например, соль, кварц, металлы и другие) являются моно- или поликристаллами. Познакомимся теперь с аморфными телами . Они занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями, поэтому их нельзя однозначно назвать твёрдыми.

Проделаем опыт. Нам понадобятся: кусок пластилина, стеариновая свеча и электрический обогреватель. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от обогревателя. Вскоре часть свечи расплавится, часть останется в виде твёрдого тела, а пластилин «обмякнет». Некоторое время спустя весь стеарин расплавится, а пластилин постепенно «расплывётся», став совсем мягким.

Подобно стеарину, существуют и другие кристаллические вещества , которые при нагревании не размягчаются, и во время плавления всегда можно видеть как жидкость, так и ещё не расплавившуюся часть тела. Это, например, все металлы. Но существуют и аморфные вещества , которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся всё более текучими, поэтому невозможно указать температуру, при которой тело превращается в жидкость (плавится).

Аморфные тела при любой температуре обладают текучестью . Подтвердим это опытом. В стеклянную воронку бросим кусок аморфного вещества и оставим в тёплой комнате (на рисунке – смола гудрон; из неё делают асфальт). Через несколько недель окажется, что смола приняла форму воронки и даже начала вытекать из неё наподобие «струи». То есть аморфное тело ведёт себя как очень густая и вязкая жидкость.

Строение аморфных тел. Исследования электронным микроскопом и рентгеновскими лучами показывают, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. В отличие от кристаллов, где существует дальний порядок в расположении частиц, в строении аморфных тел наблюдается только ближний порядок – некая упорядоченность расположения частиц сохраняется лишь вблизи каждой отдельной частицы (см. рисунок). Сверху изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, снизу – в аморфной форме кварца. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц – молекул оксида кремния SiO 2 .

Как и частицы любых тел, частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются и чаще, чем частицы кристаллов, могут перескакивать с места на место. Этому способствует то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно, местами создавая сравнительно большие промежутки. Однако это не то же самое, что «вакансии» в кристаллах (см. § 7-е).

Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (недели, месяцы) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или мёд, оставленные в покое на несколько месяцев, становятся непрозрачными. В этом случае говорят, что мёд и леденцы «засахарились». Разломив такой леденец или зачерпнув такой мёд ложкой, мы увидим образовавшиеся кристаллики сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.

Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Силы притяжения и отталкивания «соседок» перемещают частицы аморфного тела в такие положения, где потенциальная энергия минимальна (см. § 7-г). При этом возникает более упорядоченное расположение частиц, что и означает, что происходит самостоятельная кристаллизация.