Кристалічні й аморфні тверді тіла. Внутрішня будова кристалів
Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску; в’язкість аморфних речовин під час нагрівання зменшується; вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово.
Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише свій об’єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників.
Кристали певної речовини можуть мати різну форму, оскільки вона залежить від умов їх утворення.
Монокристали і полікристали. Іноді весь шматок твердої речовини може становити собою один кристал. Такі, наприклад, шматочки цукру, солі, гірського кришталю тощо. Це все окремі кристали, їх називають монокристалами. В інших випадках тіла складаються з безлічі кристалів, які зрослися між собою. Кристалічну будову мають всі метали у твердому стані. Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених дрібних кристалів називають полікристалічним, або полікристалом.
Анізотропія механічних властивостей монокристалів проявляється насамперед у тому, що їх міцність у різних напрямах різна. Монокристали легше руйнуються в одних напрямах, ніж в інших, і саме тому їх злами плоскі.
Полікристалічні тілає ізотропними, тобто їх фізичні властивості, як і аморфних тіл, у всіх напрямках однакові. Це пояснюється тим, що полікристали складають з величезної кількості невпорядковано орієнтованих дрібних кристаликів, які зрослися між собою.
Широке застосування в сучасній фізиці і техніці дістали монокристали. Майже всі напівпровідникові прилади – це монокристали зі спеціально введеними домішками, які надають їм тих чи інших властивостей.
Внутрішня будова кристалів. Залежність фізичних властивостей кристалів від напряму і правильність їхніх геометричних форм давали підстави для припущення про впорядкованість частинок, які утворюють кристал.
Частинки, з яких складається кристал, при тепловому русі коливаються навколо положень рівноваги, які називають вузлами.
Інші кристали мають складнішу будову. В їхніх вузлах містяться атоми вуглецю. Вузол– це положення рівноваги частинки, яка входить до складу кристала, тобто точка. Відстань між вузлами умовно позначає відстань між центрами атомів і молекул.
Розрізняють чотири типи кристалів (і кристалічних решіток): іонні, атомні, металічні і молекулярні.
Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.
Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв’язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв’язком.
За умови ковалентного зв’язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар.
Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв’язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії.
Металічні кристали. У всіх вузлах гратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.
Кожна частинка в кристалі (молекула, атом чи іон) знаходиться в певному положенні рівноваги, в якому сили відштовхування і притягання з боку інших частинок, які утворюють кристал, однакові.
Спостерігати і безпосередньо вимірювати сили, які діють на окремі молекули, атоми чи іони, не можна.
Щодо деформації тіл. При малих деформаціях напруга σпрямо пропорційна відносному видовженню ε.
У формулі закону Гука:
σ = εЕ.
Властивість твердих тіл (або матеріалів, з яких вони виготовлені) відновлювати свою форму і об’єм після припинення дії сили називають пружністю.
Деформацію, яку має тіло після припинення дії сили, називають залишковою. Найбільше навантаження, яке витримує зразок перед розриванням, називають навантаженням межі міцності, а напругу, яка відповідає цьому максимальному навантаженню, — межею міцності.
На пружність і пластичність тіл істотно впливає температура.
Однією з найважливіших механічних характеристик матеріалів є їхня міцність, тому в основному саме завдяки їй стають надійними різні споруди і машини. Під міцністю розуміють здатність матеріалу опиратися руйнуванню і залишковій деформації, які виникають внаслідок зовнішніх впливів.
На відміну від кристалічних аморфні тілаповністю ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямах. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Якщо, наприклад, нагрівати скло, воно стає м’яким і тягучим.
Друга їх характерна властивість – пластичність. Таким чином, залежно від характеру впливу (зокрема часу, протягом якого діє сила) аморфні речовини поводять себе або як крихкі тверді тіла, або як дуже в’язкі рідини.
Аморфний стан речовини нестійкий: через певний час аморфна речовина переходить у кристалічну.