Реферат: Свойства твердых тел

Выполнил студент

группы И-07-1-119

Налётов В.И

г. Иркутск

2009г.

Твердые тела

Отличие твердых тел (и жидкостей) от газов заключается в том, что при незначительных изменениях объема в твердых телах (и жидкостях) возникают значительные силы упругости, тогда как в газах даже при значительном изменении объема (до определенного предела) увеличения сил упругости почти не происходит. От жидкостей твердые тела отличаются тем, что силы упругости в них возникают и при изменении формы (сдвиг), чего не происходит в жидкости, способной принимать любую форму.

Твердые тела могут существовать в двух различных состояниях — кристаллическом и аморфном.

Аморфными называются тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям (так называемая изотропность). Примерами аморфных тел могут служить куски затвердевшей смолы, янтарь, изделия из стекла. Изотропность физических свойств аморфных тел объясняется беспорядочностью расположения составляющих их атомов и молекул. Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченным расположением атомов или молекул, которые образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру. Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Это свойство кристаллов называется анизотропностью. Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям.

Кристаллические тела делятся на монокристаллы, у которых внутренняя структура периодически повторяется во всем их объеме, и поликристаллы, представляющие собой множество сросшихся между собой хаотически расположенных маленьких кристаллов — кристаллитов.

Частицы, составляющие кристалл, расположены в определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга. Совокупность узлов, т.е. точек, совпадающих с центрами атомов или молекул, составляющих кристалл, называют кристаллической решеткой данного кристалла. Многие каркасы зданий и мостов, транспортные средства, линии электропередач и так далее сделаны из металлов, имеющих кристаллическую структуру. Поэтому большой практический интерес представляют вопросы прочности кристаллических тел. Как выяснилось, реальная прочность кристаллов во много раз меньше расчетной из-за наличия внутренних и поверхностных дефектов в кристаллической решетке. О механических свойствах твердых тел подробнее можно прочесть в главе, посвященной механике твердого тела

Точечные дефекты возникают при замещении собственного атома чужеродным, внедрении атома в пространство между узлами решетки или при отсутствии атома в одном из узлов кристаллической решетки.

Рис. 1. Примеры точечных дефектов: а) замещение собственного атома чужеродным, Ь) внедрение атома в пространство между узлами кристаллической решетки, с) отсутствие атома в одном из узлов кристаллической решетки

Линейные дефекты возникают при нарушении в порядке расположения атомных плоскостей в кристаллах.

Рис. 3. Пример линейного дефекта в кристаллической решетке

Растворы и кристаллы

Зарождение и рост кристаллов

С миром кристаллов, чудесным и разнообразным, человек встречается на каждом шагу, например когда добавляет в чай мелкие кристаллики сахарного песка. Поваренная соль, без которой не обходится ни одна хозяйка, также состоит из отдельных маленьких частичек, хотя в природе встречаются большие прозрачные кристаллы каменной соли NаС1, немного похожие на хрусталь. Зимой лужи покрываются тонким слоем льда — это кристаллическая вода.

Многогранная натура кристаллов. Атомы, молекулы или ионы располагаются в кристаллических телах упорядоченно — в вершинах многогранников, а иногда в середине граней или в центре самого многогранника. Складывая вместе множество таких многогранников, можно получить кристалл в целом.

Французский ученый и морской офицер Огюст Браве (1811 — 1863) представил кристалл в виде решетки, в пересечениях прутьев которой размещаются слагающие ее частицы. Упорядоченное расположение частиц в узлах кристаллической решетки и придает кристаллу красивую, правильную и симметричную форму. В кристаллической решетке можно перемещаться в разных направлениях: вдоль, поперек, а также по диагонали. При этом количество частиц в узлах решетки, которые встречаются на пути, окажется разным. В этом причина анизотропии (от греч. «анизос» — «неравный» и «тропос» — «направление»; зависимость свойств от направления) кристалла. Например, значения электропроводности, показателя преломления, теплопроводности связаны с направлением, в котором они измерены.

У аморфных тел, частицы которых расположены в пространстве неупорядоченно, анизотропия отсутствует.

Как рождаются и растут кристаллы? Чтобы начался рост кристалла, необходимо прежде всего возникновение центра кристаллизации.

Как же он появляется? В совершенно прозрачном растворе, расплаве или в парах вещества протекает бурная «жизнь»: каждое мгновение частицы (ионы или молекулы) сталкиваются, и иногда при этом появляются мельчайшие зародыши будущего кристалла. Они недолговечны и, едва возникнув, разрушаются. Но однажды два-три зародыша, случайно столкнувшись, приобретают структуру элементарной ячейки — мельчайшего кристаллика вещества. Это скопление частиц уже не разрушается и начинает расти. Так появляется центр кристаллизации.

В его роли могут выступать и попавшие в раствор пылинки, дефекты поверхности сосуда, в котором находится раствор, либо внесенный извне кристаллик растворенного вещества. Это может быть и кристаллик другого вещества (при условии, что он обладает сходной кристаллической структурой).

Не все центры кристаллизации в конечном счете превращаются в кристаллы вещества. Крупные кристаллы продолжают расти, а более мелкие растворяются.

Совершенство формы и красота плоских граней кристаллов наводят на мысль, что эти «каменные цветы» растут слоями. Очень часто это действительно так, причем рост каждого слоя частиц начинается от центра грани кристалла. Большое увеличение позволяет увидеть ступеньки, размеры которых уменьшаются при переходе от этажа к этажу, как кольца в детской игрушке — пирамидке. Что произойдет, если какая-то частица вещества случайно попадет на грань мельчайшего кристалла, находящегося в пересыщенном растворе, расплаве или газе? Образовавшийся бугорок может положить начало новому слою, и весьма вероятно, что другие частицы устремятся именно сюда, обеспечивая формирование слоя и рост кристалла.

Кристалл растет быстрее, если частицы попадают на его поверхность не поодиночке, а целыми скоплениями, «толпами». Такие скопления затем разрастаются по горизонтали, покрывая поверхность кристалла, и в нем появляется новый слой частиц...

Кристаллы из вулканов и Озер. В природе кристаллы зарождаются и растут очень медленно. Все минералы и горные породы в недрах Земли образовались при кристаллизации магмы — расплавленной массы, насыщенной газами и перегретым водяным паром. При охлаждении магмы в первую очередь выделяется вещество с наиболее высокой температурой плавления (в отличие от аморфных тел, температура плавления кристаллических веществ имеет вполне определенное значение): образуются зародыши, постепенно вырастающие в правильные многогранники.

Когда они становятся достаточно большими и начинают мешать друг другу, вместо отдельных монокристалликов образуется их конгломерат, и тогда можно говорить о поликристаллической структуре. Вещество с более низкой температурой плавления дает мелкие кристаллы: ведь часть пространства уже занята выделениями высокоплавкого компонента.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--