Потрібно пам'ятати, що не всі тіла, які існують на планеті Земля, мають кристалічна будова. Винятки із правила отримали назву «аморфні тіла». Чим вони відрізняються? Виходячи з перекладу даного терміна- аморфний - можна припустити, що такі речовини відрізняються від інших своєю формою чи видом. Йдеться про відсутність так званої кристалічних ґрат. Процес розщеплення, у якому з'являються грані, немає. Аморфні тіла також відрізняються тим, що не залежить від навколишнього середовища, та його властивості постійні. Такі речовини називаються ізотропними.
Невелика характеристика аморфних тіл
З шкільного курсуФізики можна згадати те, що аморфні речовини мають таку будову, при якій атоми в них розташовані в хаотичному порядку. Певне місцеможуть мати лише структури-сусіди, де таке розташування є вимушеним. Але все ж таки проводячи аналогію з кристалами, аморфні тіла не мають суворої впорядкованості молекул і атомів (у фізиці така властивість отримала назву «далекий порядок»). В результаті досліджень було з'ясовано, що за своєю структурою дані речовини схожі на рідини.
Деякі тіла (як приклад можна взяти діоксид кремнію, чия формула SiO 2) можуть одночасно перебувати в аморфному стані і мати кристалічну структуру. Кварц у першому варіанті має структуру неправильної решітки, у другому - правильного шестикутника.
Властивість №1
Як уже говорилося вище, аморфні тіла не мають кристалічних ґрат. Їхні атоми та молекули мають ближній порядок розміщення, що і буде першим відмінною властивістюданих речовин.
Властивість №2
Плинністю ці тіла обділені. Для того, щоб краще пояснити другу властивість речовин, можна зробити це на прикладі воску. Ні для кого не секрет, що якщо налити воду у вирву, то вона просто виллється з неї. Те саме буде і з будь-якими іншими текучими речовинами. А властивості аморфних тілне дозволяють їм робити такі «трюки». Якщо віск помістити у вирву, то він попередньо розтечеться по поверхні і лише потім почне стікати з неї. Це пов'язано з тим, що молекули в речовині перескакують з одного положення рівноваги абсолютно інше, не маючи основного розташування.
Властивість №3
Час поговорити про процес плавлення. Слід запам'ятати те що, що аморфні речовини немає певної температури, коли він починається плавлення. Під час підняття градуса тіло поступово стає м'якшим і потім перетворюється на рідину. Фізики завжди наголошують не на температурі, при якій даний процеспочав відбуватися, але в відповідному температурному інтервалі плавлення.
Властивість №4
Про нього вже було сказано вище. Аморфні тіла ізотропні. Тобто їх властивості у будь-якому напрямі незмінні, навіть якщо умови перебування у місцях різні.
Властивість №5
Хоч раз кожна людина спостерігала, що з плином певного проміжку часу скло починало каламутніти. Ця властивість аморфних тіл пов'язана з підвищеною внутрішньою енергією (вона в рази більша, ніж у кристалів). Тому дані речовини спокійно самі можуть перейти в кристалічний стан.
Перехід до кристалічного стану
Через певний проміжок часу будь-яке аморфне тіло перетворюється на кристалічний стан. Це можна спостерігати в звичного життялюдини. Наприклад, якщо залишити льодяник або мед на кілька місяців, то можна помітити, що вони обоє втратили свою прозорість. Звичайна людина скаже, що вони просто зацукрувалися. І справді, якщо розламати тіло, то можна помітити наявність кристалів цукру.
Отже, говорячи про це, необхідно уточнити, що мимовільне перетворення на інший стан пов'язане з тим, що аморфні речовини нестійкі. Порівнюючи їх із кристалами, можна зрозуміти, що останні в рази «потужніші». Пояснити факт можна завдяки міжмолекулярній теорії. Згідно з нею, молекули постійно перескакують з одного місця на інше, тим самим заповнюючи порожнечі. Згодом утворюється стійка кристалічна решітка.
Плавлення аморфних тіл
Процесом плавлення аморфних тіл називається момент, коли з підвищенням температури всі зв'язки між атомами руйнуються. Саме тоді речовина перетворюється на рідину. Якщо умови плавлення такі, що тиск однаково протягом усього періоду, то температура також має бути фіксованою.
Рідкі кристали
У природі існують тіла, які мають рідкокристалічну структуру. Як правило, вони входять до переліку органічних речовин, а їх молекули мають ниткоподібну форму. Тіла, про які йдеться, мають властивості рідин і кристалів, а саме плинністю та анізотропією.
У таких речовинах молекули розташовуються паралельно одна одній, проте, між ними відстань, що не фіксується. Вони рухаються постійно, але орієнтацію змінювати несхильні, тому постійно перебувають у одному положенні.
Аморфні метали
Аморфні метали більше відомі звичайній людиніпід назвою металеве скло.
Ще 1940 року вчені заговорили про існування цих тіл. Вже тоді стало відомо, що спеціально отримані вакуумним напилюванням метали не мали кристалічних грат. І лише через 20 років було виготовлено перше скло такого типу. Особливої увагиу вчених воно не викликало; і лише ще через 10 років про нього заговорили американські та японські професіонали, а потім уже корейські та європейські.
Аморфні метали відрізняються в'язкістю, достатньо високим рівнемміцності та стійкістю до корозії.
Термін "аморфне" перекладається з грецької буквально як "не вид", "не форма". Такі речовини не мають кристалічну структуру, вони не піддаються розщепленню з формуванням кристалічних граней. Як правило, аморфне тіло ізотропне, тобто його фізичні властивостіне залежить від напряму зовнішнього впливу.
Протягом певного проміжку часу (місяців, тижнів, днів) окремі аморфні тіла можуть спонтанно переходити в кристалічний стан. Так, наприклад, можна спостерігати, як мед або цукровий льодяник через деякий час втрачають прозорість. У таких випадках зазвичай кажуть, що продукти «зацукрилися». При цьому, зачерпнувши засахарившийся мед ложкою або розламавши льодяник, можна дійсно спостерігати кристалики цукру, що сформувалися, які раніше існували в аморфному вигляді.
Така мимовільна кристалізація речовин вказує на різний ступіньстійкості станів. Таким чином, аморфне тіло менш стійке.
Тверді тіла поділяють на аморфні та кристалічні, залежно від них молекулярної структурита фізичних властивостей.
На відміну від кристалів молекули та атоми аморфних твердих тілне формують решітку, а відстань між ними коливається у межах деякого інтервалу можливих відстаней. Інакше кажучи, у кристалів атоми або молекули взаємно розташовані таким чином, що структура, що формується, може повторюватися у всьому обсязі тіла, що називається далеким порядком. У випадку з аморфними тілами – зберігається структура молекул лише щодо кожної такої молекули, спостерігається закономірність у розподілі лише сусідніх молекул – ближній порядок. Наочний прикладпредставлений нижче.
До аморфних тіл відноситься скло та інші речовини в склоподібному стані, каніфоль, смоли, бурштин, сургуч, бітум, віск, а також органічні речовини: каучук, шкіра, целюлоза, поліетилен та ін.
Властивості аморфних тіл
Особливість будови аморфних твердих тіл надає їм індивідуальних властивостей:
- Слабо виражена плинність - одне з найбільш відомих властивостейтаких тел. Прикладом будуть потіки скла, які довгий часстоїть у віконній рамі.
- Аморфні тверді тіла не мають певної температури плавлення, так як перехід у стан рідини під час нагрівання відбувається поступово, за допомогою розм'якшення тіла. Тому до таких тіл застосовують так званий температурний інтервал розм'якшення.
- Через свою структуру такі тіла є ізотропними, тобто їх фізичні властивості не залежить від вибору напрями.
- Речовина в аморфному стані має більшу внутрішньою енергією, ніж у кристалічному. З цієї причини аморфні тіла здатні самостійно переходити до кристалічного стану. Це явищеможна спостерігати як результат помутніння скла з часом.
Склоподібний стан
У природі існують рідини, які практично неможливо перевести в кристалічний стан за допомогою охолодження, оскільки складність молекул цих речовин не дозволяє їм утворити регулярні кристалічні грати. До таких рідин відносяться молекули деяких органічних полімерів.
Однак, за допомогою глибокого і швидкого охолодженняпрактично будь-яка речовина здатна перейти в склоподібний стан. Це таке аморфний стан, Що не має явної кристалічної решітки, але може частково кристалізуватися, в масштабах малих кластерів. Цей стан речовини є метастабільним, тобто зберігається за деяких необхідних термодинамічних умов.
За допомогою технології охолодження з певною швидкістю речовина не встигатиме кристалізуватися, і перетворюється на скло. Тобто чим вища швидкість охолодження матеріалу, тим менша ймовірність його кристалізації. Так, наприклад, для виготовлення металевого скла потрібно швидкість охолодження, що дорівнює 100 000 - 1 000 000 Кельвін в секунду.
У природі речовина існує в склоподібному стані, що виникає з рідкої вулканічної магми, яка, взаємодіючи з холодною водоюабо повітрям, швидко охолоджується. У даному випадкуречовина зветься вулканічним склом. Також можна спостерігати скло, утворене в результаті плавлення падаючого метеорита, що взаємодіє з атмосферою - метеоритне скло або молдавіт.
« Фізика – 10 клас»
Крім твердих тіл, що мають кристалічну структуру, що характеризується строгим порядком у розташуванні атомів, існують аморфні тверді тіла.
У аморфних тіл немає строгого порядкуу розташуванні атомів. Тільки найближчі атоми-сусіди розташовуються у порядку. Але суворої повторюваності за всіма напрямами однієї й тієї ж елемента структури, що у кристалів, в аморфних тілах немає. За розташуванням атомів і їх поведінкою аморфні тіла аналогічні рідинам. Часто те саме речовина може бути як у кристалічному, і у аморфному стані.
Теоретичні дослідженняпризводять до отримання твердих тіл, властивості яких є абсолютно незвичайними. Отримати такі тіла методом спроб і помилок було б неможливо. Створення транзисторів, про які йтиметься надалі, - яскравий прикладтого, як розуміння структури твердих тіл призвело до революції у всій радіотехніці.
Отримання матеріалів із заданими механічними, магнітними, електричними та іншими властивостями - один із основних напрямків сучасної фізикитвердого тіла.
Не всі тверді тіла – кристали. Існує безліч аморфних тіл.
У аморфних тіл немає строгого порядку розташування атомів. Тільки найближчі атоми - сусіди розташовуються у порядку. Але суворої спрямованості за всіма напрямами однієї й тієї ж елемента структури, що у кристалів в аморфних тілах, немає.
Часто те саме речовина може бути як у кристалічному, і у аморфному стані. Наприклад, кварц SiO2 може бути як в кристалічній, так і в аморфній формі (кремнезем). Кристалічну форму кварцу схематично можна подати у вигляді грати з правильних шестикутників. Аморфна структура кварцу також має вигляд ґрат, але неправильної форми. Поряд із шестикутниками в ній зустрічаються п'яти та семикутники.
У 1959 р. англійський фізикД. Бернал провів цікаві досліди: він узяв багато маленьких пластилінових кульок однакового розміру, обваляв їх у крейдяній пудрі і спресував у велику грудку. В результаті кульки деформувалися у багатогранники. Виявилося, що утворювалися переважно п'ятикутні грані, а багатогранники загалом мали 13,3 грані. Так що якийсь порядок у аморфних речовинах безперечно є.
До аморфних тіл належать скло, смола, каніфоль, цукровий льодяник та ін. На відміну від кристалічних речовин аморфні речовини ізотропні, тобто їх механічні, оптичні, електричні та інші властивості не залежать від напрямку. У аморфних тіл немає фіксованої температури плавлення: плавлення відбувається у певному температурному інтервалі. Перехід аморфної речовини з твердого станув рідке не супроводжується стрибкоподібною зміною властивостей. Фізична модельаморфного стану досі не створено.
Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами та рідинами. Їхні атоми або молекули розташовуються у відносному порядку. Розуміння структури твердих тіл (кристалічних та аморфних) дозволяє створювати матеріали із заданими властивостями.
При зовнішніх впливахаморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і плинність, подібно до рідини. Так, при короткочасних впливах (ударах) вони поводяться як тверді тіла і за сильного удару розколюються на шматки. Але при дуже тривалий впливаморфні тіла течуть. Простежимо за шматком смоли, що лежить на гладкій поверхні. Поступово смола по ній розтікається, і що вище температура смоли, то швидше це відбувається.
Аморфні тіла при низьких температурахза своїми властивостями нагадують тверді тіла. Плинністю вони майже не володіють, але в міру підвищення температури поступово розм'якшуються та їх властивості дедалі більше наближаються до властивостей рідин. Це тому, що із зростанням температури поступово частішають перескоки атомів з одного становища до іншого. Певної температуритіл у аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає.
При охолодженні рідкої речовинине завжди відбувається його кристалізація. за певних умов може утворитися нерівноважний твердий аморфний (склоподібний) стан. У склоподібному стані можуть бути прості речовини(вуглець, фосфор миш'як, сірка, селен), оксиди (наприклад, бору, кремнію, фосфору), галогеніди, халькогеніди, багато органічних полімерів. мільйонами років. Фізичні та хімічні властивостіречовини в склоподібному аморфному стані можуть суттєво відрізнятись від властивостей кристалічної речовини. Наприклад, склоподібний діоксид германію хімічно активніший, ніж кристалічний. Відмінності у властивостях рідкого та твердого аморфного стану визначаться характером теплового рухучастинок: в аморфному стані частинки здатні лише до коливальних та обертальним рухамале не можуть переміщатися в товщі речовини.
Під дією механічних навантажень або за зміни температури аморфні тіла можуть закристалізуватися. Реакційна здатністьречовин в аморфному стані значно вищий, ніж у кристалічному. Головна ознакаАморфний (від грецького "аморфос" - безформний) стан речовини - відсутність атомної або молекулярної решітки, тобто тривимірної періодичності структури, характерної для кристалічного стану.
Існують речовини, які у твердому вигляді можуть бути лише в аморфному стані. Це стосується полімерів з нерегулярною послідовністю ланок.