Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равно­весия.

Кристаллические тела. Твердое тело в обычных условиях трудно сжать или растянуть. Для придания твердым телам нужной формы или объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках: токарных, строгальных, шлифовальных.

В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Это объясняется тем, что притяжение между атомами (или молекулами) у них больше, чем у жид­костей (и тем более газов). Оно достаточно, чтобы удержать атомы около положений равновесия.

Молекулы или атомы большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, распо­ложены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя части­цы этих тел и находятся в движении, движения эти представляют собой колебания около опре­деленных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Кроме того, в отличие от жидкостей, точки положений равновесия атомов или ионов твердого тела, будучи соединенными, располагаются в вершинах правильной пространственной решетки, которая называется кристаллической.

Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, назы­ваются узлами кристаллической решетки.

Монокристалл - твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку (одиночный кристалл).

Анизотропия монокристаллов. Одним из главных свойств монокристаллов, которым они отли­чаются от жидкостей и газов, является анизотропия их физических свойств. Под анизотропией понимают зависимость физических свойств от направления в кристалле. Анизотропными яв­ляются механические свойства (например, известно, что слюду легко расслоить в одном направле­нии и очень трудно - в перпендикулярном), электрические свойства (электропроводность многих кристаллов зависит от направления), оптические свойства (явление двойного лучепреломления, и дихроизма - анизотропии поглощения; так, например, монокристалл турмалина «окрашен» в разные цвета - зеленый и бурый, в зависимости от того, с какой стороны на него посмотреть).

Поликристалл - твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристал­лов. Поликристаллическими являются большинство твердых тел, с которыми мы имеем дело в быту - соль, сахар, различные металлические изделия. Беспорядочная ориентация сросшихся микрокристалликов, из которых они состоят, приводит к исчезновению анизотропии свойств.

Аморфные тела. Кроме кристаллических, к твердым телам относят также аморфные тела. Аморфный в переводе с греческого означает «бесформенный».

Аморфные тела - это твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.

В этих телах молекулы (или атомы) колеблются около хаотически расположенных точек и, по­добно молекулам жидкости, имеют определенное время оседлой жизни. Но, в отличие от жидкос­тей, время это у них очень велико.

К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости: у аморфных тел нет определенной температуры, плавления.

Этим они отличаются от кристаллических тел, которые при повышении температуры перехо­дят в жидкое состояние не постепенно, а скачком (при вполне определенной температуре - тем­пературе плавления).

Все аморфные тела изотропны, т. е. имеют одинаковые физические свойства по разным на­правлениям. При ударе они ведут себя как твердые тела - раскалываются, а при очень длитель­ном воздействии - текут.

В настоящее время есть много веществ в аморфном состоянии, полученных искусственным путем, например, аморфные и стеклообразные полупроводники, магнитные материалы и даже металлы.

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?

Твердые тела разделяют на аморфные и кристаллические, в зависимости от их молекулярной структуры и физических свойств.

В отличие от кристаллов молекулы и атомы аморфных твердых тел не формируют решетку, а расстояние между ними колеблется в пределах некоторого интервала возможных расстояний. Иначе говоря, у кристаллов атомы или молекулы взаимно расположены таким образом, что формируемая структура может повторяться во всем объеме тела, что называется дальним порядком. В случае же с аморфными телами – сохраняется структура молекул лишь относительно каждой одной такой молекулы, наблюдается закономерность в распределении только соседних молекул – ближний порядок. Наглядный пример представлен ниже.

К аморфным телам относится стекло и другие вещества в стеклообразном состоянии, канифоль, смолы, янтарь, сургуч, битум, воск, а также органические вещества: каучук, кожа, целлюлоза, полиэтилен и др.

Свойства аморфных тел

Особенность строения аморфных твердых тел придает им индивидуальные свойства:

1. Слабо выраженная текучесть – одно из наиболее известных свойств таких тел. Примером будут потеки стекла, которое долгое время стоит в оконной раме.
2. Аморфные твердые тела не обладают определенной температурой плавления, так как переход в состояние жидкости во время нагрева происходит постепенно, посредством размягчения тела. По этой причине к таким телам применяют так называемый температурный интервал размягчения.

1. В силу своей структуры такие тела являются изотропными, то есть их физические свойства не зависят от выбора направления.
2. Вещество в аморфном состоянии обладает большей внутренней энергией, нежели в кристаллическом. По этой причине аморфные тела способны самостоятельно переходить в кристаллическое состояние. Данное явление можно наблюдать как результат помутнения стекол с течением времени.

Стеклообразное состояние

В природе существуют жидкости, которые практически невозможно перевести в кристаллическое состояние посредством охлаждения, так как сложность молекул этих веществ не позволяет им образовать регулярную кристаллическую решетку. К таким жидкостям относятся молекулы некоторых органических полимеров.

Однако, при помощи глубокого и быстрого охлаждения, практически любое вещество способно перейти в стеклообразное состояние. Это такое аморфное состояние, которое не имеет явной кристаллической решетки, но может частично кристаллизироваться, в масштабах малых кластеров. Данное состояние вещества является метастабильным, то есть сохраняется при некоторых требуемых термодинамических условиях.

При помощи технологии охлаждения с определенной скоростью вещество не будет успевать кристаллизоваться, и преобразуется в стекло. То есть чем выше скорость охлаждения материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. Так, например, для изготовления металлических стекол потребуется скорость охлаждения, равная 100 000 – 1 000 000 Кельвин в секунду.

В природе вещество существует в стеклообразном состоянии возникает из жидкой вулканической магмы, которая, взаимодействуя с холодной водой или воздухом, быстро охлаждается. В данном случае вещество зовется вулканическим стеклом. Также можно наблюдать стекло, образованная в результате плавления падающего метеорита, взаимодействующего с атмосферой – метеоритное стекло или молдавит.

Термин «аморфное» переводится с греческого буквально как «не вид», «не форма». Такие вещества не обладают кристаллической структурой, они не подвергаются расщеплению с формированием кристаллических граней. Как правило, аморфное тело изотропно, то есть его физические свойства не зависят от направления внешнего воздействия.

В течение определенного промежутка времени (месяцев, недель, дней) отдельные аморфные тела могут самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние. Так, например, можно наблюдать, как мед или сахарный леденец спустя некоторое время теряют прозрачность. В таких случаях обычно говорят, что продукты «засахарились». При этом, зачерпнув засахарившийся мед ложкой или разломив леденец, можно действительно наблюдать сформировавшиеся кристаллики сахара, которые ранее существовали в аморфном виде.

Такая самопроизвольная кристаллизация веществ указывает на разную степень устойчивости состояний. Таким образом, аморфное тело менее устойчиво.

Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа и рентгеновских лучей свидетельствуют, 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 есть ближний порядок. Это значит, что некая упорядоченность расположения частиц сохраняется лишь вблизи каждой отдельной частицы (см. рисунок).

На верхней части рисунка изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, на нижней – в аморфной форме существования кварца. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц – молекул оксида кремния SiO2.

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 – между их частицами кое-где имеются сравнительно большие промежутки. Однако это не то же, что «вакансии» в кристаллах (см. § 7-е).

Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (недели, месяцы) некоторые аморфные тела 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 засахарившийся леденец или зачерпнув мёд ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.

Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, чтокристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Cилы отталкивания «соседок» заставляют частицы аморфного тела перемещаться преимущественно туда, где есть большие промежутки. В результате возникает более упорядоченное расположение частиц, то есть происходит кристаллизация.

Проверь себя:

1. Цель этого параграфа – познакомиться...
2. Какую сравнительную характеристику мы дали аморфным телам?
3. Для опыта используем следующее оборудование и материалы: ...
4. Во время подготовки к опыту мы...
5. Что мы увидим по ходу опыта?
6. Каков результат опыта со стеариновой свечой и куском пластилина?
7. В отличие от аморфных тел, кристаллические тела...
8. При плавлении кристаллического тела...
9. В отличие от кристаллических тел, аморфные...
10. К аморфным телам относят тела, для которых...
11. Что делает аморфные тела похожими на жидкости? Они...
12. Опишите начало опыта по подтверждению текучести аморфных тел.
13. Опишите результат опыта по подтверждению текучести аморфных тел.
14. Сформулируйте вывод из опыта.
15. Откуда нам известно, что у аморфных тел нет строгого порядка в расположении их частиц?
16. Как мы понимаем термин «ближний порядок» в расположении частиц аморфного тела?
17. Одинаковые молекулы оксида кремния имеются как в кристаллической, так и...
18. Каков характер движения частиц аморфного тела?
19. Каков характер расположения частиц аморфного тела?
20. Что может происходить с аморфными телами с течением времени?
21. Как можно убедиться в наличии поликристаллов сахара в леденце или в засахарившемся меду?
22. Почему мы считаем, что кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное?
23. Как МКТ объясняет самостоятельную кристаллизацию некоторых аморфных тел?