Особенности строения аморфных тел. Аморфные тела

>>Физика: Аморфные тела

Не все твердые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел. Чем они отличаются от кристаллов?
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. Например, кварц SiO 2 может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис.12.6, а ). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис.12.6, б ).
Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. В этом вы можете убедиться сами, если запасетесь терпением. Проследите за куском смолы, который лежит на твердой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.
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.
Так, для вара при t = 20°С время «оседлой жизни» примерно 0,1 с. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят сравнительно редко.
Аморфные тела при низких температурах 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. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Жидкие кристаллы. В природе встречаются вещества, обладающие одновременно основными свойствами кристалла и жидкости, а именно анизотропией и текучестью. Такое состояние вещества называется жидкокристаллическим . Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют длинную нитевидную форму или форму плоских пластин.
Рассмотрим наиболее простой случай, когда жидкий кристалл образуется нитевидными молекулами. Эти молекулы расположены параллельно друг другу, однако беспорядочно сдвинуты, т. е. порядок, в отличие от обычных кристаллов, существует только в одном направлении.
При тепловом движении центры этих молекул движутся хаотически, однако ориентация молекул не изменяется, и они остаются параллельны самим себе. Строгая ориентация молекул существует не во всем объеме кристалла, а в небольших областях, называемых доменами. На границе доменов происходит преломление и отражение света, поэтому жидкие кристаллы непрозрачны. Однако в слое жидкого кристалла, помещенном между двумя тонкими пластинами, расстояния между которыми 0,01-0,1 мм, с параллельными углублениями 10-100 нм, все молекулы будут параллельны и кристалл станет прозрачным. Если на какие-то участки жидкого кристалла подать электрическое напряжение, то жидкокристаллическое состояние нарушается. Эти участки становятся непрозрачными и начинают светиться, а участки без напряжения остаются темными. Это явление используется при создании жидкокристаллических экранов телевизоров. Нужно отметить, что сам экран состоит из огромного числа элементов и электронная схема управления таким экраном чрезвычайно сложна.
Физика твердого тела. Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела отставала от развития технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось. Теоретические исследования приводят к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны.
Получить такие тела методом проб и ошибок было бы невозможно. Создание транзисторов, о которых пойдет речь в дальнейшем, - яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике.
Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами - одно из основных направлений современной физики твердого тела. Примерно половина физиков мира работают сейчас в этой области физики .
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твердых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.

???
1. Чем отличаются аморфные тела от кристаллических?
2. Приведите примеры аморфных тел.
3. Возникла ли бы профессия стеклодува, если бы стекло было кристаллическим телом, а не аморфным?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Вы когда-нибудь задумывались о том, что представляют собой загадочные аморфные вещества? По строению они отличаются и от твердых, и от жидких. Дело в том, что такие тела находятся в особом конденсированном состоянии, имеющем только ближний порядок. Примеры аморфных веществ - смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид (наши любимые пластиковые окна), различные полимеры и другие. Это твердые тела, у которых нет кристаллической решетки. Еще к ним можно отнести сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы.

Необыкновенные свойства аморфных веществ

Во время расщепления в аморфных телах не образуются грани. Частицы совершенно беспорядочны и находятся на близком расстоянии друг к другу. Они могут быть как сильно густыми, так и вязкими. Как на них влияют внешние воздействия? Под влиянием различных температур тела становятся текучими, словно жидкости, и одновременно довольно упругими. В случае, когда внешнее воздействие длится недолго, вещества аморфного строения могут при мощном ударе расколоться на кусочки. Длительное влияние извне приводит к тому, что они просто-напросто текут.

Попробуйте провести дома небольшой эксперимент с применением смолы. Положите ее на твердую поверхность, и вы заметите, что она начинает плавно растекаться. Правильно, ведь вещество! Скорость зависит от показателей температуры. Если она будет сильно высокой, то растекаться смола начнет заметно быстрее.

Что еще характерно для таких тел? Они могут принимать любую форму. Если аморфные вещества в виде маленьких частиц поместить в сосуд, например, в кувшин, то они также примут форму сосуда. Еще они являются изотропными, то есть проявляют одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Плавление и переход в другие состояния. Металл и стекло

Аморфное состояние вещества не подразумевает поддержания какой-либо определенной температуры. При низких показателях тела застывают, при высоких - плавятся. Кстати, от этого зависит и степень вязкости таких веществ. Низкая температура способствует пониженной вязкости, высокая, наоборот, ее повышает.

Для веществ аморфного типа можно выделить еще одну особенность - переход в кристаллическое состояние, причем самопроизвольный. Почему так происходит? Внутренней энергии в кристаллическом теле намного меньше, чем в аморфном. Мы это можем заметить на примере стеклянной продукции - со временем стекла становятся мутными.

Металлическое стекло - что же это такое? Металл можно избавить от кристаллической решетки в ходе плавления, то есть сделать вещество аморфного строения стеклообразным. Во время застывания при искусственном охлаждении кристаллическая решетка снова образуется. Аморфный металл имеет просто поразительную стойкость к коррозии. Например, сделанный из него кузов автомобиля не нуждался бы в различных покрытиях, так как не подвергался бы самопроизвольному разрушению. Аморфным веществом является такое тело, атомная структура которого обладает невиданной прочностью, а значит, аморфный металл мог бы применяться в совершенно любой промышленной отрасли.

Кристаллическое строение веществ

Чтобы хорошо разбираться в характеристиках металлов и уметь с ними работать, нужно обладать знаниями о кристаллическом строении тех или иных веществ. Производство продукции из металлов и область металлургии не смогли бы получить такое развитие, если бы у людей не было определенных знаний об изменениях в структуре сплавов, технологических приемах и эксплуатационных характеристиках.

Четыре состояния вещества

Общеизвестно, что существует четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Твердые аморфные вещества могут быть и кристаллическими. При таком строении может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут выполнять периодическое движение. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотичного беспорядка. Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, стеклянная продукция, смолы) можно называть жидкостями замороженного типа, потому что у них при изменении формы можно заметить такую характерную черту, как вязкость.

Отличие аморфных тел от газов и жидкостей

Проявления пластичности, упругости, упрочнения при деформации свойственны многим телам. Кристаллические и аморфные вещества в большей степени обладают этими характеристиками, в то время как жидкости и газы не имеют таких свойств. Но зато можно заметить, что они способствуют упругому изменению объема.

Кристаллические и аморфные вещества. Механические и физические свойства

Что собой представляют кристаллические и аморфные вещества? Как уже упоминалось выше, аморфными можно назвать те тела, которые обладают огромным коэффициентом вязкости, и при обыкновенной температуре их текучесть невозможна. А вот высокая температура, наоборот, позволяет, им быть текучими, как жидкость.

Совершенно другими представляются вещества кристаллического типа. Эти твердые тела могут иметь свою температуру плавления, зависящую от внешнего давления. Получение кристаллов возможно, если охладить жидкость. Если не принимать определенных мер, то можно заметить, что в жидком состоянии начинают возникать различные центры кристаллизации. В области, окружающей эти центры, происходит образование твердого вещества. Очень маленькие кристаллики начинают соединяться друг с другом в беспорядочном порядке, и получается так называемый поликристалл. Такое тело является изотропным.

Характеристики веществ

Что определяет физические и механические характеристики тел? Важное значение имеют атомные связи, а также тип кристаллической структуры. Кристаллам ионного типа характерны ионные связи, что означает плавный переход от одних атомов к другим. При этом происходит образование положительно и отрицательно заряженных частиц. Ионную связь мы можем наблюдать на простом примере - такие характеристики свойственны разнообразным оксидам и солям. Еще одна особенность ионных кристаллов - низкая проводимость тепла, но ее показатели могут заметно возрастать при нагревании. В узлах кристаллической решетки можно заметить различные молекулы, которые отличаются крепкой атомной связью.

Множество минералов, которые мы встречаем повсеместно в природе, имеют строение кристаллическое. И аморфное состояние вещества - это тоже природа в чистом виде. Только в этом случае тело представляет собой нечто бесформенное, а вот кристаллы могут принимать формы красивейших многогранников с наличием плоских граней, а также образовывать новые удивительной красоты и чистоты твердые тела.

Что представляют собой кристаллы? Аморфно-кристаллическая структура

Форма таких тел постоянна для определенного соединения. Например, берилл всегда выглядит как шестигранная призма. Проведите небольшой эксперимент. Возьмите небольшой кристаллик поваренной соли кубической формы (шар) и положите его в специальный раствор как можно более насыщенный той же поваренной соли. Со временем вы заметите, что этот тело осталось неизменным - оно снова приобрело форму куба или шара, которая присуща именно кристаллам поваренной соли.

3. - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.

4. Полиамид - вещество, обладающее очень высокой прочностью, стойкостью к износу. Ему свойственны высокие диэлектрические характеристики.

5. Плексиглас, или полиметилметакрилат. Его мы можем применять в сфере электротехники или использовать как материал для конструкций.

6. Фторопласт, или политетрафторэтилен, - известный диэлектрик, который не проявляет свойств растворения в растворителях органического происхождения. Обширный диапазон температур и хорошие диэлектрические свойства позволяют применять его как гидрофобный или антифрикционный материал.

7. Полистирол. Этот материал не подвержен воздействию кислот. Он, так же как фторопласт и полиамид, может считаться диэлектриком. Очень прочен в отношении механического воздействия. Полистирол используют повсеместно. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Применяется в электро- и радиотехнике.

8. Наверное, самый известный для нас полимер - это полиэтилен. Материал проявляет устойчивость при воздействии агрессивной среды, он абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка выполнена из полиэтилена, можно не бояться, что содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен - это тоже диэлектрик. Его применение обширно. Из него изготавливают трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционную пленку, оболочки для кабелей телефонных и силовых линий, детали для радио и другой аппаратуры.

9. Полихлорвинил - это высокополимерное вещество. Он является синтетическим и термопластичным. Обладает структурой молекул, которые несимметричны. Почти не пропускает воду и изготавливается путем прессования с помощью штамповки и путем формования. Полихлорвинил применяют чаще всего в электрической промышленности. На его основе создают различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные банки, изоляционные втулки и прокладки, провода и кабели. Полихлорвинил также является отличной заменой вредному свинцу. Его нельзя применять в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. А все из-за того, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.

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.

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?

В отличие от кристаллических твёрдых тел, в расположении частиц в аморфном теле нет строгого порядка.

Хотя аморфные твёрдые тела способны сохранять форму, кристаллической решётки у них нет. Некоторая закономерность наблюдается лишь для молекул и атомов, расположенных по соседству. Такой порядок называется ближним порядком . Он не повторяется по всем направлениям и не сохраняется на больших расстояниях, как у кристаллических тел.

Примеры аморфных тел - стекло, янтарь, искусственные смолы, воск, парафин, пластилин и др.

Особенности аморфных тел

Атомы в аморфных телах совершают колебания вокруг точек, которые расположены хаотично. Поэтому структура этих тел напоминает структуру жидкостей. Но частицы в них менее подвижны. Время их колебания вокруг положения равновесия больше, чем в жидкостях. Перескоки атомов в другое положение также происходят намного реже.

Как ведут себя при нагревании твёрдые кристаллические тела? Они начинают плавиться при определённой температуре плавления . И некоторое время одновременно находятся в твёрдом и жидком состоянии, пока не расплавится всё вещество.

У аморфных тел определённой температуры плавления нет . При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются.

Положим кусок пластилина вблизи нагревательного прибора. Через какое-то время он станет мягким. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени.

Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). При обычных условиях течь они не могут. Но при нагревании перескоки атомов в них происходят чаще, уменьшается вязкость, и аморфные тела постепенно размягчаются. Чем выше температура, тем меньше вязкость, и постепенно аморфное тело становится жидким.

Обычное стекло - твёрдое аморфное тело. Его получают, расплавляя оксид кремния, соду и известь. Нагрев смесь до 1400 о С, получают жидкую стекловидную массу. При охлаждении жидкое стекло не затвердевает, как кристаллические тела, а остаётся жидкостью, вязкость которой увеличивается, а текучесть уменьшается. При обычных условиях оно кажется нам твёрдым телом. Но на самом деле это жидкость, которая имеет огромную вязкость и текучесть, настолько малую, что она едва различается самыми сверхчувствительными приборами.

Аморфное состоянием вещества неустойчиво. Со временем из аморфного состояния оно постепенно переходит в кристаллическое. Этот процесс в разных веществах проходит с разной скоростью. Мы видим, как покрываются кристаллами сахара леденцы. Для этого нужно не очень много времени.

А для того чтобы кристаллы образовались в обычном стекле, времени должно пройти немало. При кристаллизации стекло теряет свою прочность, прозрачность, мутнеет, становится хрупким.

Изотропность аморфных тел

В кристаллических твёрдых телах физические свойства различаются в разных направлениях. А в аморфных телах они по всем направлениям одинаковы. Это явление называют изотропностью .

Аморфное тело одинаково проводит электричество и теплоту по всем направлениям, одинаково преломляет свет. Звук также одинаково распространяются в аморфных телах по всем направлениям.

Свойства аморфных веществ используются в современных технологиях. Особый интерес вызывают металлические сплавы, которые не имеют кристаллической структуры и относятся к твёрдым аморфным телам. Их называют металлическими стёклами . Их физические, механические, электрические и другие свойства отличаются от аналогичных свойств обычных металлов в лучшую сторону.

Так, в медицине используют аморфные сплавы, прочность которых превышает прочность титана. Из них делают винты или пластины, которыми соединяют сломанные кости. В отличие от титановых деталей крепления этот материал постепенно распадается и со временем заменяется костным материалом.

Применяют высокопрочные сплавы при изготовлении металлорежущих инструментов, арматуры, пружин, деталей механизмов.

В Японии разработан аморфный сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью. Применив его в сердечниках трансформаторов вместо текстурованных листов трансформаторной стали, можно снизить потери на вихревых токах в 20 раз.

Аморфные металлы обладают уникальными свойствами. Их называют материалом будущего.