Для аморфних тіл характерним є лише ближній порядок розміщення елементів структури, тобто певне, узгоджене розміщення в просторі сусідніх, близько розміщених частинок. Аморфні тіла є як природними так і штучними. Для аморфних тіл характерна ізотропність – однаковість властивостей, незалежно від напрямку. На відміну від кристалічних тіл.

Останнім часом значно зріс інтерес до вивчення аморфних тіл, які почали широко використовувати в електронній техніці, друкарській справі тощо.

Головною особливістю внутрішньої будови кристалічних тіл є так званий дальній порядок, тобто строга дистанційна повторюваність еле­ментів структури (атома, атомної групи, молекули, іона), тобто певний «візерунок» їх у трьох вимірах, який поширюється практично на нескінченне число періодів кристалічної решітки.

Ідеальні кристали та ідеальний газ – це два граничні стани речовини, які характеризуються впорядкованістю та хаотичністю. Вони реалізуються відповідно при низьких температурах і високих тисках та при високих температурах і низьких тисках.

Серед кристалічних тіл слід розрізняти монокристали і полікристали. Монокристал – окремий, великих розмірів кристал. Монокристали твердих тіл можуть утворюватись в умовах вільного росту, тобто коли кристалізація в рідкому стані починається на введеній затравці, коли умови росту кристала однакові на всіх його поверхнях. Кристалічну структуру монокристалів виявляють безпосередньо за їхньою зовнішньою формою. Монокристали гірського кришталю досягають розмірів зросту людини.

Більшість твердих тіл мають дрібнокристалічну структуру, тобто складаються з великої кількості дрібних кристалів, які зрослися між собою хаотично. Такі тіла називають полікристалічними . До них належать, зокрема, метали, для яких є характерними «металевий блиск» та ковкість.

Зауважимо, що поділ твердих тіл тільки на дві групи - кристалічні та аморфні – є недостатнім. Це випливає вже хоча б з факту існування таких станів речовини, як рідкі кристали.

Однією з основних властивостей кристалічних тіл є анізотропія , тобто залежність фізичних властивостей макроскопічного однорідного тіла від напряму. Анізотропія – один з важливих наслідків правильного порядку в розміщенні структурних частинок.

Аморфні тіла – ізотропні. Природна ізотропність їх зумовлена відсутністю самовільної орієнтації структурних частинок.Однією з найбільш важливих та характерних властивостей криста­лів є їх симетрія. Під симетрією кристалів розуміють закономірності розміщення їхніх структурних частинок на площині та в просторі.

В цілому реальні властивості кристалів визначаються певною регулярністю розміщення структурних одиниць та характером сил взаємодії.

Основи кристалографії є базою для вивчення фізики твердого тіла, а також для раціонального використання, розробки і освоєння нових матеріалів з наперед заданими властивостями.

2.2. Сили зв’язку в твердих тілах

Фізичні властивості твердих кристалічних тіл визначаються їхнім хімічним складом, характером сил зв'язку між структурними одиницями. Оскільки кристали мають внутрішню симетрію, необхідно знати характер сил зв'язку між структурними одиницями. Аналіз сил зв'язку дає змогу добути цінну інформацію про енергію зв'язку та провести наближену класифікацію кристалів. Енергією зв'язку називають енергію, потрібну для розщеплення твердого тіла на структурні одиниці залежно від його хімічного складу.

Загальною рисою всіх типів зв'язку є те, що природа сил зв’язку електрична. У твердих тілах розрізняють іонний, ковалентний ( атомний), металічний, вандерваальсовий та водневий зв'язки. У іонних кристалах правильно чергуються в розміщенні позитивні і негативні іони. Фізична природа іон­ного зв'язку в кристалах майже така, як і іонних молекул. Але тут електростатична взаємодія складніша внаслідок взаємодії окремого іона з усіма іншими іонами кристала. Іонний зв'язок досить сильний. Він становить величину порядку 10⁵ Дж/моль. Міцність іонного зв'язку проявляється в тому, що іонні кристали мають малий коефіцієнт теплового розширення і високу температуру плавлення. Електропровідність іонних кристалів при кімнатних температурах незначна. Вона на 20 порядків нижча, ніж металів, і зростає з підвищенням температури.

Типовими кристалами з ковалентним зв'язком є алмаз, графіт, карборунд, сульфід цинку, йод, сірка. До них належать і напівпровідники. У вузлах кристалічної решітки таких кристалів розміщені нейтральні атоми. Характерною рисою ковалентного зв'язку є її напрямленість, а розподіл густини заряду навколо кожного з ядер атомів відрізняється від сферичного. Це приводить до виникнення нового стану, в якому зовнішні валентні електрони, слабо зв'язані з ядром, належать одночасно обом ядрам, тобто усуспільнені. Між атомами, які колективізували свої зовнішні неспарені валентні електрони, виникає значне електричне притягання. Звичайно, поряд з притяганням існує і взаємне кулонівське відштовхування між електронами і ядрами атомів. Енергія електростатичного відштовхування значно менша від енергії притягання. Ковалентний зв'язок суттєво відрізняється від іонного тим, що число електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок, у кожного атома обмежене, а тому цей зв'язок є насиченим. Так, для водню один з атомів, що об'єднався з другим, утворює молекулу, яка не реагуватиме з третім вільним атомом водню. Для типового ковалентного кристалу алмазу кожен атом утворює чотири ковалентні зв'язки, віддаючи для усуспільнення кожному з них один з своїх валентних електронів і одержуючи другий електрон від сусіднього атома.

Ковалентний зв'язок між двома атомами може здійснюватись однією парою електронів (одинарний зв'язок: С—С); двома парами (подвійний зв'язок: С=С, С=О – СО₂ ); трьома парами електронів (потрійний зв'язок: С=С – СаС₂ ). Ковалентний зв'язок досить сильний. Тому ковалентні кристали мають велику енергію зв'язку порядку 3 – 5 еВ на один атом. Завдяки цьому кристали з ковалентними зв'язками мають високу механічну міцність і твердість, високу температуру плавлення, погану електропровідність в широкому інтервалі температур.

Металічний зв'язок в основному характерний для речовин, побудованих з атомів одного елемента (наприклад, мідь, золото). Металічні кристали містять у вузлах кристалічної решітки позитивні іони. В просторі між ними вільно переміщуються колективізовані валентні електрони. На відміну від ковалентного зв'язку в колективізації електронів беруть участь усі атоми, утворюючи так званий «електронний газ». Валентні електрони всіх атомів належать одночасно усьому кристалу. Металічний зв'язок – це взаємодія сукупності позитивних іонів з колективізованими валентними електронами. Кінетично притягуючись до позитивних іонів, вільні електрони відіграють роль клею, що фіксує позитивні іони на певних відстанях відповідно до рівноваги і мінімуму потенціальної енергії системи. В границях кристала електрони можуть переміщатися, беручи участь в тепловому русі. Металічний зв'язок здійснюється не через електронні пари, які сумісно належать двом частинкам, а за допомогою вільних валентних електронів, що належать всьому кристалу в цілому. Енергія металічного зв'язку значно менша, ніж у ковалентних і іонних кристалів. Підтвердженням цього є більш низька температура плавлення металів, ніж іонних і ковалентних кристалів.

Висока концентрація вільних електронів у металів зумовлює їхню добру електро- та теплопровідність. Метали оптично непрозорі, мають велику відбивну здатність, тому для них характерний специфічний металічний блиск.

У вузлах кристалічних решіток молекулярних кристалів розміщені певним способом орієнтовані молекули. Характерною для молекулярних кристалів є геометрична відокремленість молекул кристала і сильні внутрішньомолекулярні зв'язки. Це означає, що енергія внутрішньомолекулярних зв'язків значно перевищує енергію міжмолекулярних зв'язків. Силами зв'язку в цьому разі є сили Ван-дер-Ваальса та водневі зв'язки, коли молекули мають гідроксильні ОН та амінні NH₂ групи. Переважна більшість молекулярних кристалів – це органічні кристали. Молекулярні неорганічні кристали трапляються рідко. До них належать речовини, молекули яких складаються з азоту, фосфору, сірки та ін.

Молекулярні кристали за фізичними властивостями є ізоляторами, мають низьку температуру плавлення, прозорі для широкого інтервалу електромагнітних хвиль.

2.3. Теплове розширення тіл

Із підвищенням температури відбувається теплове розширення твердих тіл. Очевидно, що при нагріванні зростає амплітуда коливань атомів та молекул в вузлах кристалічної гратки і об’єм кристала збільшується при збільшенні середньої відстані між частинками. Кількісно теплове розширення характеризують за допомогою коефіцієнта лінійного та об’ємного розширення :

,

.

Тоді для розмірів твердого тіла можна записати рівність:

Для конструкційних твердих тіл можна приблизно вважати, що , а із значеннями величин коефіцієнта теплового розширення твердих тіл можна ознайомитися у таблиці Додатку 3. рівність найбільш точно справджується для аморфних тіл та кристалів кубічного виду. Для твердих тіл величина порядку . Коефіцієнт лінійного розширення мало залежить від температури. Табличні значення володіють достатньою точністю в інтервалі температур від 0ºС до 100 ºС. Для більшості твердих тіл . Це цілком природно, оскільки більш інтенсивний тепловий рух ніби розштовхує частинки. Досить мале значення коефіцієнта розширення для плавленого кварцу та інвару. Ці матеріали широко використовують у точному приладобудуванні, коли потрібно уникнути зміни розмірів деталей при коливанні температур.

Для різних напрямків у кристалах відстані між структурними частинками та сили взаємодії між ними не однакові. Отже теплове розширення у кристалах має анізотропний характер. Лінійні коефіцієнти розширення залежать від симетрії кристала.

Розділ 3. Методика проведення уроків при вивченні теми «Теплове розширення тіл»

Приступаючи до вивчення нового матеріалу, треба врахувати, що з курсів фізики й хімії попередніх класів учні вже мають певні уявлення про пружні та пластич­ні властивості твердих тіл. Ці уявлення треба використати, доповнити й узагальнити.