Не всички твърди вещества са кристали. Има много аморфни тела.
Аморфните тела нямат строг редв подреждането на атомите. Само най-близките съседни атоми са подредени в някакъв ред. Но няма строга насоченост във всички посоки на един и същи структурен елемент, която е характерна за кристалите в аморфните тела.
Често едно и също вещество може да се намери както в кристално, така и в аморфно състояние. Например кварцовият SiO2 може да бъде в кристална или аморфна форма (силициев диоксид). Кристалната форма на кварца може да бъде схематично представена като решетка от правилни шестоъгълници. Аморфната структура на кварца също има формата на решетка, но неправилна форма. Заедно с шестоъгълниците, той съдържа петоъгълници и седмоъгълници.
През 1959г английски физикДирижиран Д. Бернал интересни експерименти: Той взе много малки пластилинови топки с еднакъв размер, оваля ги в тебеширен прах и ги пресова в голяма топка. В резултат на това топките се деформираха в полиедри. Оказа се, че в този случай се образуват предимно петоъгълни лица, а полиедрите имат средно 13,3 лица. Така че има някакъв ред аморфни веществао определено има.
Аморфните тела включват стъкло, смола, колофон, захарни бонбони и др. За разлика от кристалните вещества, аморфните вещества са изотропни, т.е. техните механични, оптични, електрически и други свойства не зависят от посоката. Аморфните тела нямат фиксирана точка на топене: топенето се извършва в определен температурен диапазон. Преходът на аморфно вещество от твърдо в течно състояние не е придружен от рязка промяна на свойствата. Физически моделаморфното състояние все още не е създадено.
Аморфни телазаемат междинно положение между кристалните твърди вещества и течностите. Техните атоми или молекули са подредени в относителен ред. Разбиране на структурата твърди вещества(кристални и аморфни) ви позволява да създавате материали с определени свойства.
При външни влиянияаморфните тела проявяват както еластични свойства, като твърди тела, така и течливост, като течности. Така при краткотрайни удари (удари) те се държат като твърди тела и при силен удар се разпадат на парчета. Но при много продължително излаганетекат аморфни тела. Нека проследим парче смола, което лежи върху гладка повърхност. Постепенно смолата се разпространява върху него, като колкото по-висока е температурата на смолата, толкова по-бързо става това.
Аморфни тела при ниски температурисвойствата им наподобяват твърди вещества. Те почти нямат течливост, но с повишаване на температурата постепенно омекват и свойствата им се доближават все повече до свойствата на течностите. Това се случва, защото с повишаването на температурата прескачането на атомите от една позиция в друга постепенно зачестява. Аморфните тела, за разлика от кристалните, нямат определена телесна температура.
При охлаждане течно веществоне винаги се получава кристализация. при определени условия може да се образува неравновесно твърдо аморфно (стъклено) състояние. В стъклено състояние те могат да бъдат прости вещества(въглерод, фосфор, арсен, сяра, селен), оксиди (например, бор, силиций, фосфор), халогениди, халкогениди, много органични полимери, веществото може да бъде стабилно за дълъг период от време, напр , възрастта на някои вулканични стъкла се изчислява на милиони години. Физически и Химични свойствавещества в стъкловидно аморфно състояние могат да се различават значително от свойствата кристално вещество. Например стъкловидният германиев диоксид е химически по-активен от кристалния. Разликите в свойствата на течното и твърдото аморфно състояние се определят от природата топлинно движениечастици: в аморфно състояние частиците са способни само на вибрации и ротационни движения, но не може да се движи през веществото.
Под въздействието на механични натоварвания или температурни промени аморфните тела могат да кристализират. Реактивноствещества в аморфно състояние са значително по-високи, отколкото в кристално състояние. Основен знакаморфно (от гръцки "аморфос" - безформено) състояние на материята - липсата на атомна или молекулна решетка, тоест триизмерната периодичност на структурата, характерна за кристалното състояние.
Има вещества, които могат да съществуват само в твърда форма в аморфно състояние. Това се отнася до полимери с неправилна последователност от звена.
Наред с кристалните вещества се срещат и аморфни вещества. Аморфните тела, за разлика от кристалите, нямат строг ред в подреждането на атомите. Само най-близките атоми - съседи - са подредени в някакъв ред. Но
В аморфните тела няма строга повторяемост във всички посоки на един и същи структурен елемент, която е характерна за кристалите.
Често едно и също вещество може да се намери както в кристално, така и в аморфно състояние. Например кварцът може да бъде в кристална или аморфна форма (силициев диоксид). Кристалната форма на кварца може да бъде схематично представена като решетка от правилни шестоъгълници (фиг. 77, а). Аморфната структура на кварца също има вид на решетка, но с неправилна форма. Наред с шестоъгълниците има петоъгълници и седмоъгълници (фиг. 77, b).
Свойства на аморфните тела.Всички аморфни тела са изотропни: техните физически свойстваеднакво във всички посоки. Аморфните тела включват стъкло, много пластмаси, смола, колофон, захарни бонбони и др.
При външни въздействия аморфните тела проявяват както еластични свойства, като твърдите вещества, така и течливост, като течностите. При краткотрайни въздействия (въздействия) те се държат като твърдо тяло и при силен удар се разпадат на парчета. Но при много дълга експозиция текат аморфни тела. Например, парче смола постепенно се разпространява върху твърда повърхност. Атомите или молекулите на аморфните тела, подобно на течните молекули, имат определено време„заседнал живот“ е времето на колебания около равновесното положение. Но за разлика от течностите, това време е много дълго. В това отношение аморфните тела са близки до кристалните, тъй като рядко се случват скокове на атоми от едно равновесно положение в друго.
При ниски температури аморфните тела наподобяват свойствата си на твърди тела. Те почти нямат течливост, но с повишаване на температурата постепенно омекват и свойствата им се доближават все повече до свойствата на течностите. Това се случва, защото с повишаване на температурата скоковете на атомите от една позиция постепенно зачестяват.
баланс към друг. За аморфните тела няма определена точка на топене, за разлика от кристалните.
Физика на твърдото тяло.Всички свойства на твърдите тела (кристални и аморфни) могат да бъдат обяснени въз основа на познаването на тяхната атомно-молекулна структура и законите на движение на молекулите, атомите, йоните и електроните, които изграждат твърдите тела. Изследванията на свойствата на твърдите тела са комбинирани в голяма площ съвременна физика- физика на твърдото тяло. Развитието на физиката на твърдото тяло се стимулира главно от нуждите на технологиите. Приблизително половината от физиците в света работят в областта на физиката на твърдото тяло. Разбира се, постиженията в тази област са немислими без дълбоко знаниевсички други клонове на физиката.
1. Как се различават? кристални телаот аморфен? 2. Какво е анизотропия? 3. Дайте примери за монокристални, поликристални и аморфни тела. 4. По какво се различават ръбовите дислокации от винтовите?
АМОРФНИ ТЕЛА(гръцки amorphos - безформен) - тела, в които елементарни съставни частици (атоми, йони, молекули, техни комплекси) са произволно разположени в пространството. За разграничаване на аморфни тела от кристални (виж Кристали) се използва рентгенов дифракционен анализ (виж). Кристалните тела на рентгенови дифракционни модели дават ясна, дефинирана дифракционна картина под формата на пръстени, линии, петна, докато аморфните тела дават замъглено, неправилно изображение.
Аморфните тела имат следните функции: 1) в нормални условияизотропни, т.е. техните свойства (механични, електрически, химични, топлинни и т.н.) са еднакви във всички посоки; 2) нямат определена точка на топене и с повишаване на температурата повечето аморфни тела, постепенно омекващи, преминават в течно състояние. Следователно аморфните тела могат да се разглеждат като преохладени течности, които не са имали време да кристализират поради рязко увеличаване на вискозитета (виж) поради увеличаване на силите на взаимодействие между отделните молекули. Много вещества, в зависимост от методите на производство, могат да бъдат в аморфно, междинно или кристално състояние (протеини, сяра, силициев диоксид и т.н.). Има обаче вещества, които съществуват почти изключително в едно от тези състояния. По този начин повечето метали и соли са в кристално състояние.
Аморфните тела са широко разпространени (стъкло, естествени и изкуствени смоли, каучук и др.). Изкуствени полимерни материали, които също са аморфни тела, са станали незаменими в техниката, бита и медицината (лакове, бои, пластмаси за протезиране, различни полимерни филми).
В живата природа аморфните тела включват цитоплазмата и повечето структурни елементиклетки и тъкани, състоящи се от биополимери - дълговерижни макромолекули: протеини, нуклеинова киселина, липиди, въглехидрати. Молекулите на биополимерите лесно взаимодействат помежду си, давайки агрегати (вижте Агрегация) или рояк-коацервати (вижте Коацервация). Аморфните тела се намират и в клетките под формата на включвания и резервни вещества (нишесте, липиди).
Характеристика на полимерите, които са част от аморфни тела на биологични обекти, е наличието на тесни граници на физикохимични зони на обратимо състояние, например. Когато температурата се повиши над критичната, структурата и свойствата им се променят необратимо (коагулация на протеини).
Аморфни тела, образувани наблизоизкуствените полимери, в зависимост от температурата, могат да бъдат в три състояния: стъкловидни, силно еластични и течни (вискозна течност).
Клетките на живия организъм се характеризират с преминаване от течно към силно еластично състояние при постоянна температура, например прибиране на кръвен съсирек, мускулна контракция (виж). IN биологични системииграят аморфни тела решаваща роляв поддържането на цитоплазмата в стационарно състояние. Важна е ролята на аморфните тела за поддържане на формата и здравината на биологичните обекти: целулозна обвивка растителни клетки, черупки от спори и бактерии, животинска кожа и др.
Библиография: Bresler S. E. и Yerusalimsky B. L. Физика и химия на макромолекулите, M.-L., 1965; Китайгородски А.И. Рентгеноструктурен анализ на финокристални и аморфни тела, М.-Л., 1952; известен още като Ред и безредие в света на атомите, М., 1966; Кобеко П. П. Аморфни вещества, М.-Л., 1952; Сетлоу Р. и Полард Е. Молекулярна биофизика, прев. от английски, М., 1964.
За разлика от кристалните твърди вещества, в аморфното твърдо вещество няма строг ред в подреждането на частиците.
Въпреки че аморфните твърди вещества са в състояние да запазят формата си, кристална решеткаТе нямат. Определен модел се наблюдава само за молекули и атоми, разположени в близост. Тази поръчка се нарича затворете поръчката . Не се повтаря във всички посоки и не се съхранява в дълги разстояния, като кристални тела.
Примери за аморфни тела са стъкло, кехлибар, изкуствени смоли, восък, парафин, пластилин и др.
Характеристики на аморфните тела
Атомите в аморфните тела вибрират около произволно разположени точки. Следователно структурата на тези тела наподобява структурата на течностите. Но частиците в тях са по-малко подвижни. Времето за осцилиране около равновесното положение е по-дълго, отколкото при течности. Скокове на атоми в друга позиция също се случват много по-рядко.
Как се държат кристалните твърди вещества при нагряване? Те започват да се топят при определено точка на топене. И за известно време те са едновременно в твърдо и течно състояниедокато цялото вещество се разтопи.
В аморфни тела определена температурабез топене . При нагряване те не се топят, а постепенно омекват.
Поставете парче пластилин близо до нагревателя. След известно време ще стане меко. Това не се случва моментално, а през определен период от време.
Тъй като свойствата на аморфните тела са подобни на свойствата на течностите, те се считат за свръхохладени течности с много висок вискозитет (замръзнали течности). При нормални условия те не могат да текат. Но при нагряване скоковете на атомите в тях се появяват по-често, вискозитетът намалява и аморфните тела постепенно се омекотяват. Колкото по-висока е температурата, толкова по-нисък е вискозитетът и постепенно аморфното тяло става течно.
Обикновеното стъкло е твърдо аморфно тяло. Получава се чрез топене на силициев оксид, сода и вар. При нагряване на сместа до 1400 o C се получава течна стъкловидна маса. При охлаждане течно стъклоне се втвърдява като кристалните тела, а остава течност, чийто вискозитет нараства, а течливостта намалява. При нормални условия тя ни изглежда като твърдо тяло. Но всъщност това е течност, която има огромен вискозитет и течливост, толкова ниска, че едва може да бъде разпозната от най-ултрачувствителните инструменти.
Аморфното състояние на веществото е нестабилно. С течение на времето той постепенно преминава от аморфно състояние в кристално състояние. Този процес в различни веществапреминава с на различни скорости. Виждаме захарни бастунчета да се покриват със захарни кристали. Това не отнема много време.
А за да се образуват кристали в обикновеното стъкло, трябва да мине много време. По време на кристализация стъклото губи своята здравина, прозрачност, помътнява се и става крехко.
Изотропия на аморфни тела
В кристалните твърди вещества физичните свойства варират в различни посоки. Но в аморфните тела те са еднакви във всички посоки. Това явление се нарича изотропия .
Аморфното тяло провежда еднакво електричество и топлина във всички посоки и еднакво пречупва светлината. Звукът също се разпространява еднакво в аморфните тела във всички посоки.
Свойствата на аморфните вещества се използват в модерни технологии. Специален интереспричиняват метални сплави, които нямат кристална структураи спадат към аморфните твърди вещества. Те се наричат метални очила . Техните физически, механични, електрически и други свойства се различават от тези на обикновените метали към по-добро.
Така в медицината използват аморфни сплави, чиято якост надвишава тази на титана. Те се използват за направата на винтове или пластини, които свързват счупени кости. За разлика от титаниевите крепежни елементи, този материал постепенно се разпада и с времето се заменя с костен материал.
Високоякостните сплави се използват при производството на металорежещи инструменти, фитинги, пружини и части на механизми.
В Япония е разработена аморфна сплав с висока магнитна проницаемост. Чрез използването му в ядра на трансформатори вместо текстурирани листове от трансформаторна стомана, загубите от вихрови токове могат да бъдат намалени 20 пъти.
Аморфните метали имат уникални свойства. Наричат ги материалът на бъдещето.
Аморфните твърди вещества, в много от техните свойства и главно в тяхната микроструктура, трябва да се разглеждат като силно преохладени течности с много висок коефициент на вискозитет. Структурата на такива тела се характеризира само с близък ред в подреждането на частиците. Някои от тези вещества изобщо не могат да кристализират: восък, восък, смоли. Други при определен режим на охлаждане образуват кристални структури, но в случая бързо охлажданеУвеличаването на вискозитета предотвратява подреждането на подреждането на частиците. Субстанцията се втвърдява, преди да започне процесът на кристализация. Такива тела се наричат стъклени: стъкло, лед. Процесът на кристализация в такова вещество може да настъпи и след втвърдяване (мътност на стъклото). Твърдите вещества също се класифицират като аморфни. органична материя: каучук, дърво, кожа, пластмаса, вълна, памук и копринени влакна. Процесът на преход на такива вещества от течна фаза към твърда фаза е показан на фиг. – крива I.
Аморфните тела нямат температура на втвърдяване (топене). На графиката T = f(t) има инфлексна точка, която се нарича температура на омекване. Намаляването на температурата води до постепенно увеличаване на вискозитета. Този характер на прехода към в твърдо състояние, причинява липсата на специфична топлина на топене в аморфните вещества. Обратният преход, когато се подава топлина, настъпва гладко омекване до течно състояние.
КРИСТАЛНИ ТВЪРДИ ВЕЩЕСТВА.
Характерна особеност на микроструктурата на кристалите е пространствената периодичност на вътрешните им електрически полета и повторяемостта в подреждането на кристалообразуващите частици – атоми, йони и молекули (далечен ред). Частиците се редуват в определен редпо прави линии, които се наричат възлови линии. Във всеки плосък участък на кристал две пресичащи се системи от такива линии образуват набор от напълно идентични успоредници, които плътно, без пропуски, покриват равнината на сечението. В пространството пресичането на три некомпланарни системи от такива линии образува пространствена решетка, която разделя кристала на набор от напълно идентични паралелепипеди. Пресечните точки на линиите, образуващи кристалната решетка, се наричат възли. Разстоянията между възлите по определена посока се наричат транслации или периоди на решетка. Паралелепипед, изграден върху три некомпланарни транслации, се нарича паралелепипед с повторяемост на единична клетка или решетка. Най-важното геометрично свойство на кристалните решетки е симетрията в разположението на частиците по отношение на определени посоки и равнини. Поради тази причина, въпреки че има няколко начина за избор на единична клетка за дадена кристална структура, тя се избира така, че да съответства на симетрията на решетката.
Кристалните тела могат да бъдат разделени на две групи: монокристали и поликристали. При единичните кристали се наблюдава единична кристална решетка в цялото тяло. И въпреки че външна формаединични кристали от един и същи тип могат да бъдат различни, ъглите между съответните лица винаги ще бъдат еднакви. Характерна особеност на монокристалите е анизотропията на механичните, термичните, електрическите, оптичните и други свойства.
Единичните кристали често се срещат в естественото им състояние в природата. Например, повечето минерали са кристали, изумруди, рубини. В момента за производствени цели много монокристали се отглеждат изкуствено от разтвори и стопилки - рубини, германий, силиций, галиев арсенид.
Същото химически елементмогат да образуват няколко различни по геометрия кристални структури. Това явление се нарича полиморфизъм. Например въглерод - графит и диамант; лед пет модификации и др.
Правилното външно фасетиране и анизотропията на свойствата, като правило, не се появяват за кристални тела. Това е така, защото кристалните твърди вещества обикновено се състоят от много произволно ориентирани малки кристали. Такива твърди вещества се наричат поликристални. Това се дължи на механизма на кристализация: когато се постигнат условията, необходими за този процес, центровете на кристализация се появяват едновременно на много места в началната фаза. Зараждащите се кристали са разположени и ориентирани един спрямо друг напълно произволно. Поради тази причина в края на процеса получаваме твърдо вещество под формата на конгломерат от слети малки кристали - кристалити.
От енергийна гледна точка разликата между кристалните и аморфните твърди вещества е ясно видима в процеса на втвърдяване и топене. Кристалните тела имат точка на топене - температурата, при която веществото съществува стабилно в две фази - твърдо и течно (фиг. крива 2). Преходът на твърда молекула в течност означава, че тя придобива допълнителни три степени на свобода на транслационно движение. Че. единица маса на вещество при T pl. в течната фаза има по-голяма вътрешна енергия от същата маса в твърдата фаза. Освен това разстоянието между частиците се променя. Следователно, като цяло, количеството топлина, необходимо за превръщане на единица маса от кристално вещество в течност, ще бъде:
λ = (U f -U cr) + P (V f -V cr),
където λ – специфична топлинатопене (кристализация), (U l -U cr) – разл вътрешни енергиитечна и кристална фази, P – външно налягане, (V l -V cr) – разлика в специфичните обеми. Според уравнението на Клапейрон-Клаузиус температурата на топене зависи от налягането:
Може да се види, че ако (V f -V cr)> 0, тогава 
> 0, т.е. С увеличаване на налягането точката на топене се повишава. Ако обемът на дадено вещество намалява по време на топене (V f -V cr)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Аморфните тела нямат топлина на топене. Нагряването води до постепенно увеличаване на скоростта на топлинно движение и намаляване на вискозитета. На графиката на процеса (фиг.) има точка на инфлексия, която условно се нарича температура на омекване.
ТОПЛИННИ СВОЙСТВА НА ТВЪРДИТЕ ТЕЛА
Топлинното движение в кристалите поради силно взаимодействие е ограничено само от вибрации на частици в близост до възлите на кристалната решетка. Амплитудата на тези трептения обикновено не достига 10 -11 m, т.е. е само 5-7% от периода на решетката по съответната посока. Природата на тези трептения е много сложна, тъй като се определя от силите на взаимодействие на осцилиращата частица с всички нейни съседи.
Повишаването на температурата означава увеличаване на енергията на движение на частиците. Това от своя страна означава увеличаване на амплитудата на вибрациите на частиците и обяснява разширяването на кристалните твърди вещества при нагряване.
л T = л 0 (1 + αt 0),
Където л t и л 0 – линейни размери на тялото при температури t 0 и 0 0 C, α – коефициент на линейно разширение. За твърди вещества α е от порядъка на 10 -5 – 10 -6 K -1. В резултат на линейното разширение обемът на тялото се увеличава:
V t = V 0 (1 + βt 0),
тук β е коефициентът на обемно разширение. β = 3α в случай на изотропно разширение. Монокристалните тела, тъй като са анизотропни, имат три различни стойности на α.
Всяка частица, която вибрира, има три степени на свобода на колебателно движение. Като се има предвид, че освен кинетична енергия, частиците имат и потенциална енергия, енергията ε = kT трябва да се припише на една степен на свобода на частиците от твърди тела. Сега за вътрешната енергия на бенката ще имаме:
U μ = 3N A kT = 3RT,
и за моларен топлинен капацитет:
Тези. Моларният топлинен капацитет на химически простите кристални тела е еднакъв и не зависи от температурата. Това е законът на Дюлонг-Пети.
Както показа експериментът, този закон се изпълнява доста добре, като се започне от стайни температури. Обяснения за отклоненията от закона на Дюлонг-Пети при ниски температури са дадени от Айнщайн и Дебай в квантовата теория на топлинния капацитет. Показано е, че енергията на степен на свобода не е постоянна стойност, а зависи от температурата и честотата на трептене.
ИСТИНСКИ КРИСТАЛИ. ДЕФЕКТИ В КРИСТАЛИТЕ
Реалните кристали имат редица нарушения на идеалната структура, които се наричат кристални дефекти:
а) точкови дефекти –
Дефекти на Шотки (единици, незаети от частици);
Дефекти на Френкел (изместване на частици от възли към междувъзлия);
примеси (въведени чужди атоми);
б) линейни - ръбови и винтови дислокации. Локално е нередовно
стил в подреждането на частиците
поради непълнотата на отделните атомни равнини
или поради нередности в последователността на тяхното развитие;
в) равнинни – граници между кристалити, редици от линейни дислокации.