Тверде тіло є одним з чотирьох фундаментальнихстанів матерії, крім рідини, газу та плазми. Воно характеризується структурною жорсткістю та стійкістю до зміни форми чи обсягу. На відміну від рідини, твердий об'єкт не тече, не набуває форми контейнера, в який його поміщають. Тверде тіло не розширюється, щоб заповнити весь доступний об'єм, як це робить газ.
Атоми в твердому тілітісно пов'язані один з одним, перебувають у упорядкованому стані у вузлах кристалічних ґрат(це метали, звичайний лід, цукор, сіль, алмаз), або розташовуються нерегулярно, не мають суворої повторюваності в структурі кристалічної решітки (це аморфні тіла, такі як шибка, каніфоль, слюда або пластмаса).
Кристалічні тіла
Кристалічні тверді тіла або кристали мають відмінну внутрішню особливість- Структуру у вигляді кристалічної решітки, в якій певне положення займають атоми, молекули або іони речовини.
Кристалічна решітка призводить до існування особливих плоских граней у кристалів, які відрізняють одну речовину від іншої. При дії рентгенівських променів, кожна кристалічна решітка випромінює характерний малюнок, який можна використовувати для ідентифікації речовини. Грані кристалів перетинаються під певними кутами, що відрізняють одну речовину від іншої. Якщо кристал розщепити, нові грані будуть перетинатися під тими ж кутами, що у вихідного.
Наприклад, галена - галеніт, pyrite - пірит, quartz - кварц. Грані кристала перетинаються під прямим кутом у галеніті (PbS) і пирите (FeS 2), під іншими кутами в кварці.
Властивості кристалів
- постійний обсяг;
- правильна геометрична форма;
- анізотропія - відмінність механічних, світлових, електричних та теплових властивостей від напрямку в кристалі;
- чітко визначена температура плавлення, оскільки залежить від регулярності кристалічної решітки. Міжмолекулярні сили, що утримують тверда речовинаразом, однорідні, і потрібна однакова кількість теплової енергії, щоб одночасно розірвати кожну взаємодію.
Аморфні тіла
прикладами аморфних тіл, що не мають строгої структури та повторюваності осередків кристалічних ґрат, є: скло, смола, тефлон, поліуретан, нафталін, полівінілхлорид.
Вони мають два характерні властивості: ізотропність та відсутність певної температури плавлення.
Ізотропність аморфних тіл розуміють, як однаковість фізичних властивостей речовини в усіх напрямках.
В аморфному твердому тілі відстань до сусідніх вузлів кристалічних ґрат і кількість сусідніх вузлів змінюється по всьому матеріалу. Тому, щоб розірвати міжмолекулярні взаємодії, потрібно різна кількістьтеплової енергії. Отже, аморфні речовиниповільно розм'якшуються в широкому діапазоні температур і не мають точної температури плавлення.
Особливістю аморфних твердих тіл є те, що при низьких температурахвони мають властивості твердих тіл, а при підвищенні температури – властивості рідин.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
ФІЗИКА 8 КЛАС
Доповідь на тему:
Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.
учениця 8 "б" класу:
2009
Аморфні тіла.
Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстаняхвід каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина – залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін – поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.
Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а твердого стануперетворюються відразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла – кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.
Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму воронки і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже вічно зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.
Будова аморфних тіл.Дослідження з допомогою електронного мікроскопа, і навіть з допомогою рентгенівських променів свідчать, що у аморфних тілах немає строгого порядкуу розташуванні їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому – в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO 2 .
Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.
Частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються. Вони частіше ніж частинки кристалів можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.
Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, спокої в теплому місці, через кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.
Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.
Плавлення аморфних тіл.
У міру зростання температури енергія коливального руху атомів у твердому тілі зростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло перетворюється на рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.
Кількість тепла, необхідне для перетворення одиниці маси речовини на рідину при температурі плавлення, називають питомою теплотоюплавлення λ .
Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:
Q = λ · m .
Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тіла на противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.
Поряд із кристалічними твердими тілами зустрічаються аморфні тверді тіла. У аморфних тіл на відміну кристалів немає строгого порядку розташування атомів. Тільки найближчі атоми – сусіди – розташовуються у певному порядку. Але
Суворої повторюваності у всіх напрямках одного того ж елемента структури, яка характерна для кристалів, в аморфних тілах немає.
Часто одна і та ж речовина може перебувати як в кристалічному, так і в аморфному стані. Наприклад, кварц може бути як у кристалічній, так і в аморфній формі (кремнезем). Кристалічну форму кварцу схематично можна представити у вигляді решітки з правильних шестикутників(Мал. 77, а). Аморфна структура кварцу також має вигляд грат, але неправильної форми. Поряд із шестикутниками в ній зустрічаються п'яти- та семикутники (рис. 77, б).
Властивості аморфних тіл.Усі аморфні тіла ізотропні: їх фізичні властивостіоднакові в усіх напрямках. До аморфних тіл належать скло, багато пластмас, смола, каніфоль, цукровий льодяник та ін.
При зовнішніх впливахаморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і плинність, подібно до рідин. При короткочасних впливах (ударах) вони поводяться як тверде тіло і за сильного удару розколюються на шматки. Але при дуже тривалий впливаморфні тіла течуть. Так, наприклад, шмат смоли поступово розтікається по твердій поверхні. Атоми або молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають певний час«осілого життя» час коливань при стані рівноваги. Але на відміну від рідин цей час вони дуже великі. У цьому відношенні аморфні тіла близькі до кристалічних, тому що перескоки атомів з одного положення рівноваги до іншого відбуваються рідко.
За низьких температур аморфні тіла за 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 відбувається тому, що зі зростанням температури поступово частішають перескоки атомів з одного положення
рівноваги до іншого. Ніякий певної температуриплавлення у аморфних тіл, на відміну кристалічних, немає.
Фізика твердого тілаВсі властивості твердих тіл (кристалічних та аморфних) можуть бути пояснені на основі знання їх атомно-молекулярної структури та законів руху молекул, атомів, іонів та електронів, що складають тверді тіла. Дослідження властивостей твердих тіл об'єднані в великий області сучасної фізики- Фізики твердого тіла. Розвиток фізики твердого тіла стимулюється переважно потребами техніки. Приблизно половина фізиків світу працює у сфері фізики твердого тіла. Зрозуміло, досягнення в цій галузі немислимі без глибоких знаньрешти розділів фізики.
1. Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних? 2. Що таке анізотропія? 3. Наведіть приклади монокристалічних, полікристалічних та аморфних тіл. 4. Чим відрізняються крайові дислокації від гвинтових?
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
ФІЗИКА 8 КЛАС
Доповідь на тему:
Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.
учениця 8 "б" класу:
2009
Аморфні тіла.
Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина - залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін - поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.
Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а з твердого стану перетворюються одразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла - кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.
Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму воронки і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже завжди зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.
Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах немає строгого порядку розташування їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому - в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок - молекул оксиду кремнію SiO 2 .
Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.
Частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються. Вони частіше ніж частинки кристалів можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.
Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, спокої в теплому місці, через кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.
Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.
Плавлення аморфних тіл.
У міру підвищення температури енергія коливального рухуатомів у твердому тілі зростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло переходить у рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.
Кількість тепла, необхідне перетворення одиниці маси речовини на рідину за нормальної температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ .
Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:
Q = λ · m .
Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тіла на противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.
У попередньому параграфі ми дізналися, що деякі тверді тіла (наприклад, сіль, кварц, метали та інші) є моно- або полікристалами. Познайомимося тепер з аморфними тілами. Вони займають проміжне положення між кристалами та рідинами, тому їх не можна однозначно назвати твердими.
Зробимо досвід. Нам знадобляться: шматок пластиліну, стеаринова свічка та електричний обігрівач. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від обігрівача. Незабаром частина свічки розплавиться, частина залишиться у вигляді твердого тіла, а пластилін «обм'якне». Через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін поступово «розпливеться», ставши зовсім м'яким.
Подібно до стеарину, існують і інші кристалічні речовини , які при нагріванні не розм'якшуються, і під час плавлення завжди можна бачити як рідину, так і частину тіла, що ще не розплавилася.Це, наприклад, усі метали. Але існують і аморфні речовини, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають все більш текучими, тому неможливо вказати температуру, при якій тіло перетворюється на рідину (плавиться).
Аморфні тіла за будь-якої температури мають плинністю. Підтвердимо це досвідом. У скляну вирву кинемо шматок аморфної речовини і залишимо в теплій кімнаті (на малюнку – смола гудрон; з неї роблять асфальт). Через кілька тижнів виявиться, що смола набула форми вирви і навіть почала витікати з неї на кшталт «струмені». Тобто аморфне тіло веде себе як дуже густа та в'язка рідина.
Будова аморфних тіл.Дослідження електронним мікроскопом та рентгенівськими променямипоказують, що в аморфних тілах не спостерігається строгого порядку розташування їх частинок. На відміну від кристалів, де існує далекий порядоку розташуванні частинок, у будові аморфних тіл спостерігається тільки ближній порядок– якась упорядкованість розташування частинок зберігається лише поблизу кожної окремої частки(Див. малюнок). Зверху зображено розташування частинок у кристалічному кварці, знизу – в аморфній формі кварцу. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO 2 .
Як і частинки будь-яких тіл, частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються і частіше, ніж частинки кристалів, можуть перескакувати з місця на місце.Цьому сприяє те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно, подекуди створюючи порівняно великі проміжки. Однак це не те саме, що «вакансії» у кристалах (див. § 7-е).
Кристалізація аморфних тіл.З часом (тижня, місяці) аморфні речовини мимоволіпереходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники чи мед, залишені у спокої кілька місяців, стають непрозорими. У цьому випадку кажуть, що мед та льодяники «зацукрилися». Розломивши такий льодяник або зачерпнувши такий мед ложкою, ми побачимо кристалики цукру, що утворилися, раніше існував в аморфному стані.
Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини стійкіший, ніж аморфний.МКТ це пояснює так. Сили тяжіння та відштовхування «сусідок» переміщують частинки аморфного тіла у такі положення, де потенційна енергіямінімальна(Див. § 7-г). При цьому виникає більш впорядковане розташування частинок, що означає, що відбувається самостійна кристалізація.