МОНОКРИСТАЛЛ
– это отдельный кристалл с непрерывной
кристаллической решеткой.
ПОЛИКРИСТАЛЛЫ
– это агрегаты хаотически ориентированных
мелких кристаллов разного размера и
неправильной формы, которые называются
кристаллитами или кристаллическими
зернами. Зерна в поликристаллах могут
быть ориентированы хаотически или иметь
ту или иную преимущественную
кристаллографическую ориентацию. Такой
поликристалл называют тектурированным.
АМОРФНОЕ
ВЕЩЕСТВО – это вещество, находящееся в
твердом конденсированном состоянии,
характеризующемся неупорядоченным
расположением атомов и молекул. В
аморфных веществах, в отличие от
кристаллических, отсутствует дальний
порядок в расположении частиц вещества,
но присутствует ближний порядок,
соблюдаемый на расстояниях, соизмеримых
с размерами частиц. Поэтому аморфные
вещества не образуют правильной
геометрической структуры, представляя
собой структуры неупорядоченно
расположенных молекул.
Для
аморфного состояния вещества характерно
наличие температурного интервала, в
котором аморфное вещество при повышении
температуры переходит в жидкое состояние.
Этот процесс происходит постепенно:
при нагревании аморфные вещества в
отличие от кристаллических, сначала
размягчаются, затем начинают растекаться
и, наконец, становятся жидкими, т. е.
аморфные вещества плавятся в широком
интервале температур.
Выделяют
ещё СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
– твердое аморфное состояние вещества,
возникающее при застывании его
переохлажденного расплава.
Привести примеры точечных и протяженных дефектов структуры в реальных кристаллах.
В
идеальных кристаллах существующий
данный порядок в расположении частиц
никогда не нарушается. А в реальных –
частицы в узлах кристаллической решетки
совершают непрерывные колебания вокруг
среднего положения. С увеличением
температуры амплитуда увеличивается
и наконец наиболее “резвые” частицы
могут покидать свое место или переходить
на поверхность или внедряться в
междоузлия. В решетке дефекты структуры.
Т.е. реальный кристалл отличается от
идеального наличием большого числа
дефектов. Дефекты структуры могут
относиться к отдельным узлам или
междоузлиям (точечные). Далее дефекты
могут затрагивать несколько узлов и
междоузлий, т.е. элементов ячейки
(протяженные дефекты):
а)
Дефект Шоттки (структура разветвления)
Мы наблюдаем как бы диффузию вакансий
в глубь кристалла. С повышением температуры
вакансии диффузируют к поверхности.
Б)
Дефект Френкеля (структура смещения)
Переход частиц из узла в междоузлие.
Требует более высокой температуры (т.к.
у большинства структурных типов диаметр
междоузлия гораздо меньше диаметра
атома.)
в)
Твердый раствор замещения (структура
замещения ). Для возникновения надо:
близость хим.природы А и Б, близость
радиуса атомов А и Б (примеры: Cu и Ni – R=
1,28анг и 1.24анг. Ag и Au: 1.4анг)
г)
Твердый раствор внедрения (структура
внедрения). Атомы Б внедряются в междоузлия
А. Пример: Li и Ge. Но! Ограничение на размеры
внедрения атомов Б
А)
Микротрещины. – результат небольшой
разориентировки двух прилегающих частей
монокристалла. Скорость диффузии
примесей внутрь кристалл по микротрещинам
значительно выше. Чем по междоузлиям
даже по вакансиям.
Б)
Мозаика – результат статистически
беспорядочной ориентировки под любыми,
чаще под очень малыми углами отдельных
зерен монокристалла. Поверхность
кристалла состоит из отдельных блоков.
Несколько различно отделенных один от
другого трещинами.
В)
Микрокаверны. – незанятые атомами
плоскости в решетке кристалла ,
увеличивающие его внутреннюю поверхность.
Микрокаверны бывают открытые (выходящие
на поверхность) и закрытые. Оба вида
уменьшают плотность кристалла.
Г)
Дислокации – области дефектов
кристаллической решетки, простирающиеся
вдоль некоторой линии – лини дислокации.
Дислокация – отклонение от периодичности
крист.реш. как результат случайных
отклонений в процессе роста кристалла
из расплава. Различают краевые и винтовые
дислокации. Краевую дислокацию можно
представить, как границу неполной
атомной плоскости. Край оборванной
плоскости в решетке образуется если
вдвинуть (мысленно) сверху полуплоскость
между плоскостями идеального кристалла
(или оборвать полуплоскость снизу).
Ширина области дислокации не превышает
нескольких межатомных расстояний. Длина
же может достигать размера кристалла.
Д)
Винтовая дислокация – в кристалле тоже
возникает при сдвиге одной части
кристалла относительно другой, но линии
винтовой дислокации параллельна вектору
сдвига. Можно представить, что в кристалле
как бы произведен разрез, а затем сдвиг
вдоль плоскости разреза.
Влияние
дефектов: микрокаверны, трещины, вакансии
резко уменьшают механическую прочность
кристалла. Электрические и оптические
свойства кристаллов также связаны с
наличием в них дефектов. В полупроводниках
наличие тех или иных примесей может
изменить характер проводимости.
Электропроводность полупроводников
изменяется на много порядков только за
счет концентраций пустых мест в решетке.
Кристаллические и аморфные тела
Твердые тела
разделяются на два типа, отличающиеся
друг от друга по своим физическим
свойствам: кристаллические
тела и аморфные.
Основным признаком
кристаллического состояния вещества
является наличие анизотропии,
которая
заключается в том, что однородное тело
в различных направлениях обладает
различными свойствами.
Например, коэффициент
теплового расширения кристаллических
тел различен в различных направлениях;
в различных направлениях различны
механические, оптические и электрические
свойства кристаллов.
Аморфные тела –
изотропны,
т.е. обладают во всех направлениях
одинаковыми свойствами.
Кристаллы имеют
определенным образом ориентированные
плоскости, по которым они легко
раскалываются.
Аморфные тела при
раскалывании дают неправильные
поверхности случайной формы.
Образцами аморфных
тел могут служить стекло, различные
стеклообразные вещества, смолы, битумы
и т.д. В последнее время особое внимание
к себе привлекают аморфные вещества,
состоящие из органических соединений,
образующих так называемые полимеры. В
них молекулы более простого соединения
объединены в группы.
Моно- и поликристаллы
Правильность
геометрической формы и анизотропия
кристаллов обычно не проявляются по
той причине, что кристаллические тела
встречаются в природе, как правило, в
виде поликристаллов,
т.е. конгломератов множества сросшихся
между собой беспорядочно ориентированных
мелких кристалликов. В поликристаллах
анизотропия наблюдается только в
пределах каждого кристалла, все тело,
вследствие беспорядочной ориентации
кристаллов, анизотропии не обнаруживает.
Создав специальные
условия кристаллизации, из расплава
или раствора можно получить большие
одиночные кристаллы – монокристаллы
любого вещества. Монокристаллы встречаются
в природе крайне редко; в лабораторных
условиях – получаются выращиванием из
раствора какой-нибудь соли.
Все металлы
обладают поликристаллической структурой.
Благодаря беспорядочной ориентации
отдельных кристаллов кусок металла в
целом не обнаруживает анизотропии, хотя
отдельные, образующие его кристаллы,
анизотропны.
Внешняя симметрия
кристалла является результатом
симметричного расположения частиц, из
которых он построен. В настоящее время
рентгеноструктурным анализом установлено,
что атомы в кристаллах располагаются
симметрично друг относительно друга,
образуя геометрически правильную
пространственную
решетку.
Весь кристалл
может быть получен путем многократного
повторения в трех различных направлениях
одного и того же структурного элемента,
называемого элементарной
кристаллической ячейкой.
Рис.а.
Кристалл Рис.б.
Элементарная
Длины ребер a,
b,
c
элементарной
кристаллической ячейки называются
периодами
идентичности кристалла.
Таким образом,
элементарная кристаллическая ячейка
представляет собой параллелепипед,
построенный на трех векторах a,
b,
c,
модули которых равны периодам идентичности
кристалла. Этот параллелепипед, кроме
ребер a,
b,
c,
характеризуется также углами ,
,
между ребрами. Величины a,
b,
c
и ,
,
однозначно определяют элементарную
ячейку и называются ее
параметрами.
В зависимости от
значений a,
b,
c
и углов ,
,
все кристаллы
делятся на семь кристаллографических
систем (или сингоний):
Формы кристаллов
чрезвычайно разнообразны. Изучением
их занимается наука кристаллография.
В природе вещества находятся в четырех
агрегатных состояниях: плазменном,
газообразном, жидком и твердом.
Твердые вещества
существуют в аморфном и кристаллическом
состояниях.
Аморфные
– это вещества, в которых слагающие их
частицы расположены относительно
беспорядочно (хотя существует так
называемый ближний порядок). К аморфным
могут относиться как природные (янтарь,
смолы), так и искусственные (стекло,
пластмассы) вещества. Внутреннее строение
определяет изотропию свойств (т.е.
одинаковость по всем направлениям).
Аморфные
вещества – неустойчивые, т.е. обладают
запасом внутренней энергии и стремятся
перейти в более стабильное состояние,
другими словами – они склонны к образованию
кристаллических зародышей. Например,
зарухание стекла, засахаривание меда,
переход опала (аморфного кремнезема) в
халцедон (кристаллическое вещество).
Аморфные вещества иногда рассматривают
как переохлажденные жидкости, т.е. в них
зафиксирована структура жидкости.
Аморфные вещества не имеют постоянной
температуры плавления. Переход из
твердого в жидкое состояние (и наоборот)
осуществляется постепенно через
пластическое состояние (рис.1.1).
Рисунок 1.1 – Кривые охлаждения аморфного
и кристаллического вещества
Кристаллические
вещества – имеют упорядоченное внутреннее
строение, т.е. частицы их слагающие
(атомы, ионы, молекулы) расположены в
строго определенном порядке в правильных,
симметричных, периодически повторяющихся
рядах, сетках, решетках. То есть они
имеют как ближний так и дальний порядок.
Упорядоченное, закономерное расположение
атомов, ионов, молекул называется
кристаллической
решеткой:
атомная (алмаз, графит), ионная (NaCl),
молекулярная (сахар, аспирин и другие
органические вещества). Кристаллы имеют
постоянную температуру плавления и
кристаллизации (рис.1.1).
Кристаллы
растут из паров, растворов, расплавов
при их охлаждении. И, если созданы
идеальные условия их роста, образуются
удивительно правильные многогранники.
Однако реальные кристаллы могут и не
представлять собой правильный
многогранник.
Отдельные
(единичные) кристаллы называются
монокристаллами.
Поликристалл
состоит из многих монокристальных
зерен, ориентированных случайно,
беспорядочно (например, сталь).
Идеальные
кристаллы
имеют правильную геометрическую форму,
плоские грани, ровные ребра. Реальные
– бугристая поверхность на гранях,
неровные ребра и т.д.
При медленном
охлаждении образуются крупные кристаллы,
при быстром – или мелкие, недоразвитые
(кристаллиты), или аморфное вещество
(переохлажденная жидкость).
Внешняя
форма является проявлением закономерного
внутреннего строения кристалла.
4 Основные свойства кристаллов
Кристаллы вырастают многогранными,
поскольку скорости их роста по различным
направлениям различны. Если бы они были
одинаковыми, то получилась бы единственная
форма – шар.
Не
только скорость роста, но и практически
все их свойства различны по разным
направлениям, т.е. кристаллам присуща
анизотропия
(«ан» – не, «низос» – одинаковый, «тропос»
– свойство), неравносвойственность по
направлениям.
Например,
кальцит при нагревании в продольном
направлении растягивается (=24,9·10-6
оС-1),
а в поперечном – сжимается (=-5,6·10-6
оС-1).
В нем же есть направление, в котором
тепловое расширение и сжатие компенсируют
друг друга (направление нулевого
расширения). Если вырезать пластинку,
перпендикулярную этому направлению,
то при нагревании толщина ее не будет
изменяться, и она может быть использована
для изготовления деталей в точном
машиностроении.
У графита расширение
вдоль вертикальной оси в 14 раз больше,
чем в направлениях, поперечных к этой
оси.
Особенно
наглядна анизотропия механических
свойств кристаллов. Кристаллы со слоистой
структурой – слюда, графит, тальк, гипс
– в направлении слоев совсем легко
расщепляются на тонкие листочки,
расколоть их в других направлениях
несравненно труднее. Соль разбивается
на мелкие кубики, испанский шпат – на
ромбоэдры (явление спайности).
В кристаллах имеет
место также анизотропия оптических
свойств, теплопроводности, электропроводности,
упругости и др.
В
поликристалле,
состоящем из ориентированных случайно
многих монокристальных зерен, анизотропия
свойств отсутствует.
Еще
раз необходимо подчеркнуть, что аморфные
вещества также изотропны.
В
некоторых кристаллических веществах
может проявляться и изотропность.
Например, распространение света в
кристаллах кубической сингонии происходит
с одинаковой скоростью в разных
направлениях. Можно сказать, что такие
кристаллы оптически изотропны, хотя в
этих кристаллах может наблюдаться
анизотропия механических свойств.
Однородность
– свойство физического тела быть
одинаковыми во всем объеме. Однородность
кристаллического вещества выражается
в том, что любые участки кристалла
одинаковой формы и одинаково
ориентированные, характеризуются одними
и теми же свойствами.
Способность
самоограняться
– способность кристалла в благоприятных
условиях принимать многогранную форму.
Описывается законом постоянства углов
Стенона.
Плоскогранность
и прямобедренность.
Поверхность кристалла ограничена
плоскостями или гранями, которые,
пересекаясь, образуют прямые линии –
ребра. Точки пересечения ребер образуют
вершины.
Грани, ребра,
вершины, а также двухгранные углы
(прямые, тупые, острые) являются элементами
внешнего ограничения кристаллов.
Двухгранные углы (это две пересекающиеся
плоскости), как указывалось выше, для
данного типа вещества являются константой.
Формула Эйлера
устанавливает взаимосвязь между
элементами ограничения (только простые
закрытые формы):
Г
+ В = Р + 2,
Г – количество
граней,
В
– количество вершин,
Р – количество
ребер.
Например,
для куба 6+8=12+2
Ребра кристаллов
соответствуют рядам решетки, грани –
плоским сеткам.
«Кристаллы блещут
своей симметрией», – писал великий
русский кристаллограф Е.С. Федоров.
Симметрия –
закономерная повторяемость равных
фигур или равных частей одной и той же
фигуры. «Симметрия» – с греч. «соразмерность»
соответственных точек в пространстве.
Если геометрический
объект в трехмерном пространстве
повернут, смещен или отражен и, при этом,
он в точности совместился сам с собой
(преобразовался в себя), т.е. остался
инвариантен к приложенному к нему
преобразованию, то объект является
симметричным, а преобразование
симметрическим.
При этом могут
быть случаи совмещения:
Рисунок
1.3 – Пример совместимо (а) и отраженно
(б) равных фигур
Геометрическое
понятие равенства фигур:
две фигуры называются равными, если
расстояние между двумя любыми точками
одной фигуры равно расстоянию между
соответствующими точками другой фигуры.
Рассмотрим твердые тела подробнее. По упорядоченности мельчайших частиц, из которых состоят твердые тела, их можно разделить на аморфные и кристаллические.
Чем отличаются кристаллические и аморфные тела
У кристаллических тел есть строго упорядоченное положение мельчайших частиц. Эти частички образуют правильную кристаллическую решетку (рис. 1).
Примечание: Атомы кристаллических тел располагаются в узлах кристаллической решетки. Связи между атомами обозначены линиями. Эти линии у различных кристаллических тел образуют разные пространственные фигуры.
Рис.1. Кристаллические тела имеют более упорядоченную структуру в твердом состоянии, чем аморфные тела
Аморфные тела не обладают строгой упорядоченностью мельчайших частиц — молекул, из которых они состоят. У аморфных тел порядок есть, но он не так выражен, как у кристаллических тел. Аморфное тело по своему строению больше похоже на очень вязкую жидкость, чем на твердое тело. Поэтому, аморфные тела обладают текучестью.
Основные отличия кристаллических и аморфных тел приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Сравниваем свойства кристаллических и аморфных тел
Плавление аморфных тел
Аморфные тела конкретной температуры плавления не имеют. Строение аморфных тел больше похоже на очень вязкую жидкость, чем на твердое кристаллическое тело. Во время нагревания они будут становиться более текучими, все больше проявляя свойство жидкости. При этом, хрупкость, присущая твердому состоянию, будет исчезать. Одновременно с плавлением, температура аморфных тел будет повышаться.
Важно! Одновременно с плавлением, температура аморфных тел будет непрерывно повышаться. Потому, что такие тела не имеют конкретной температуры плавления.
Примеры аморфных тел
Примечание: Эбонит («Эбенос» др.-греч. — чёрное дерево) – это вулканизированный каучук с добавлением большого количество серы, до 50 % от массы каучука. Цвет эбонита обычно тёмно-бурый или чёрный. Этот материал не проводит электрических ток – то есть, является хорошим изолятором.
Плавление кристаллических тел
Чтобы кристаллическое тело начало плавиться, его нужно нагреть до определенной температуры. Одни кристаллические тела будут плавиться при низкой температуре, а другие – при высокой. То есть, у каждого вещества своя температура плавления. Ее можно найти в справочнике физики. При этом, пока вещество не расплавится, его температура изменяться не будет.
Важно! Кристаллические тела имеют конкретную температуру плавления. Пока кристаллическое вещество полностью не расплавится, его температура не изменится!
Примеры кристаллических тел
Рассмотрим переход из твердого состояния в жидкое — плавление и, обратно — кристаллизацию, на примере льда.
Возьмем лед при начальной температуре «-40» градусов по Цельсию (рис. 3) и поместим его в кастрюльку. Поставим эту кастрюльку на газовую плиту и начнем нагревать лед.
Процесс нагревания льда изображается наклонной линией синего цвета. Потому, что время идет, а температура льда повышается.
Во время нагревания льда от отрицательной температуры до нуля градусов, в емкости будет содержаться только твердый лед.
Рис.3. Процесс плавления – это горизонтальная линия на температурном графике
Как только будет достигнута температура плавления льда – «0» градусов по Цельсию, лед начнет превращаться в жидкость. В кастрюльке начнет понемногу появляться вода. То есть, будет присутствовать и лед, и вода одновременно. Постепенно воды становится все больше, а льда – все меньше.
Мы продолжаем подавать тепловую энергию. Но температура льда во время плавления не меняется до тех пор, пока весь лед не расплавится и не превратится в жидкость.
Поэтому на графике температуры плавление кристаллических тел изображается горизонтальной линией. На рисунке 3 эта линия выделена красным цветом.
Когда лед полностью расплавится, в кастрюльке будет присутствовать только жидкая вода. На рисунке 5 это — крайняя правая точка на горизонтальной красной линии.
Если продолжать подводить тепловую энергию, температура воды начнет повышаться. Идет процесс нагревания воды. На графике процесс нагревания – это еще одна наклонная прямая линия, она располагается справа от красной линии плавления.
Как на графике выглядит процесс кристаллизации для кристаллического тела
Давайте теперь прекратим нагревание воды, вынесем кастрюльку на мороз и, оставим ее там на какое-то время. Вода начнет охлаждаться, ее температура будет понижаться. На рисунке 4 это отражено убывающей до нуля прямой наклонной синей линией.
Рис. 4. Процесс кристаллизации – это горизонтальная линия на температурном графике
Когда вода охладится до нуля градусов, начнется процесс превращения жидкости в твердое тело – лед. Потому, что ноль градусов Цельсия – это температура не только плавления, но и кристаллизации льда. Вначале начнут появляться маленькие льдинки. Этому соответствует левая часть красной горизонтальной линии на графике 4.
Примечание: Если в воде присутствуют пылинки, или другие мелкие примеси, то кристаллизация проходит быстрее. Такие мелкие примеси называют центрами кристаллизации.
Постепенно, количество льда увеличивается, а воды становится все меньше. При этом, температура воды и льда в кастрюльке продолжает оставаться равной нулю градусов по Цельсию.
Когда вся вода в кастрюльке превращается в лед – этому соответствует крайняя правая точка на красной линии на графике.
Только после этого температура льда начинает понижаться от нуля в отрицательную область температур. На рисунке это описано наклонной синей линией, примыкающей справа к горизонтальной красной линии.
Примечание: Чтобы тело перешло из жидкого состояния в твердое (кристаллизовалось), оно должно избавиться от избытка тепловой энергии. Значит, при кристаллизации, тело отдает энергию окружающим телам. Физики скажут так: «Тело выделяет тепловую энергию во внешнюю среду».
Выводы
Твердым
телом называется агрегатное состояние
вещества, характеризующееся постоянством
формы и объема, причем тепловые движения
частиц в них представляют собой
хаотические колебания частиц относительно
положений равновесия.
Твердые
тела подразделяются на кристаллические
и аморфные.
Кристаллические
тела – это твердые тела, имеющие
упорядоченное периодически повторяющееся
расположение частиц.
Структура,
для которой характерно регулярное
расположение частиц с периодической
повторяемостью в тех измерениях,
называется кристаллической решеткой.
Характерной
особенностью кристаллов является их
анизотропность – зависимость физических
свойств (упругих, механических, тепловых,
электрических, магнитных) от направления.
Анизотропия кристаллов объясняется
тем, что плотность расположения частиц
по разным направлениям не одинакова.
Если
кристаллическое тело состоит из
единственного кристалла, оно называется
монокристаллом. Если твердое тело
состоит из множества беспорядочно
ориентированных кристаллических зерен,
оно называется поликристаллом. В
поликристаллах анизотропия наблюдается
только для отдельных мелких кристалликов.
Твердые
тела, физические свойства которых
одинаковы по всем направлениям
(изотропны), называются аморфными. Для
аморфных тел, как и для жидкостей,
характерен ближний порядок в расположении
частиц, но, в отличие от жидкостей,
подвижность частиц в них довольномала.
Органические
аморфные тела, молекулы которых состоят
из большого числа одинаковых длинных
молекулярных цепочек, соединенных
химическими связями, называются
полимерами (например, каучук, полиэтилен,
резина).
В
зависимости от рода частиц, расположенных
в узлах кристаллической решетки и от
характера сил взаимодействия между
частицами, различают 4 физических типа
кристалла:
Ионные
кристаллы,
например, NaCl.
В узлах кристаллической решетки находятся
ионы разных знаков. Связь между ионами
обусловлена силами кулоновского
притяжения и называется такая связь
гетерополярной.
Атомные
кристаллы,
например, С (алмаз), Ge, Si.
В узлах решетки находятся нейтральные
атомы, удерживающиеся там благодаря
ковалентным связям, возникающим за счет
обменных сил, имеющих чисто квантовый
характер.
Металлические
кристаллы.
В узлах кристаллической решётки
располагаются положительные ионы
металла. Валентные электроны в металлах
слабо связаны со своими атомами, они
свободно перемещаются по всему объёму
кристалла, образуя так называемый
«электронный газ».
Он связывает между
собой положительно заряженные ионы.
Молекулярные
кристаллы, например,
нафталин,- в твёрдом состоянии (сухой
лёд). Они состоят из молекул, связанных
между собой силами Ван-дер-Ваальса, т.е.
силы взаимодействия индуцированных
молекулярных электрических диполей.
§ 54. Изменение агрегатного состояния
И
в жидкостях и в твердых телах всегда
есть некоторое число молекул, энергия
которых достаточна для преодоления
притяжения к другим молекулам, и которые
способны покинуть поверхность жидкости
или твердого тела. Такой процесс для
жидкости называется испарением
(или парообразованием), для твердых тел
– сублимацией
(или возгонкой).
Конденсацией
называется переход вещества вследствие
его охлаждения или сжатия из газообразного
состояния в жидкое.
Если
число молекул, покидающих жидкость за
единицу времени через единичную
поверхность, равно числу молекул,
переходящих из пара в жидкость, то
наступает динамическое равновесие
между процессами испарения и конденсации.
Пар, находящийся в равновесии со своей
жидкостью, называется насыщенным.
Плавлением
называется переход вещества из
кристаллического 9твердого) состояния
в жидкое. Плавление происходит при
определенной, возрастающей с увеличением
внешнего давления, температуре плавления
Тпл.
В
процессе плавления теплота Q,
сообщаемая веществу, идет на совершение
работы по разрушению кристаллической
решетки, и поэтому
(рис. 54.2, а)
до
расплавления всего кристалла.
Количество
теплоты L,
необходимое для расплавления 1 кг
вещества, называется удельной
теплотой плавления.
Если
жидкость охлаждать, то процесс пойдет
в обратном направлении (рис. 54.2, б),
– количество теплоты, отдаваемое телом
при кристаллизации): сначала температура
жидкости понижается, затем при постоянной
температуре, равнойТпл,
начинается кристаллизация.
Для
кристаллизации вещества необходимо
наличие центров кристаллизации –
кристаллических зародышей, которыми
могут быть как кристаллики образующегося
вещества, так и любые инородные включения.
Если в чистой жидкости нет центров
кристаллизации, то она может быть
охлаждена до температуры, меньшей
температуры кристаллизации, образуя,
при этом переохлажденную жидкость
(рис.б, – пунктир).
Аморфные
тела являются переохлажденными
жидкостями.
По
своим физическим свойствам и молекулярной
структуре твердые тела разделяются на
два класса –
аморфные
и
кристаллические.
Характерной
особенностью аморфных тел является их
изотропность,
т. е. независимость всех физических
свойств (механических, оптических и т.
д.) от направления внешнего воздействия.
Молекулы и атомы в изотропных твердых
телах располагаются хаотично, образуя
лишь небольшие локальные группы,
содержащие несколько частиц (ближний
порядок). По своей структуре аморфные
тела очень близки к жидкостям (см.
§3.5).
Примерами аморфных тел могут служить
стекло, различные затвердевшие смолы
(янтарь), пластики и т. д. Если аморфное
тело нагревать, то оно постепенно
размягчается, и переход в жидкое состояние
занимает значительный интервал
температур.
В
кристаллических телах частицы
располагаются в строгом порядке, образуя
пространственные периодически
повторяющиеся структуры во всем объеме
тела. Для наглядного представления
таких структур используются пространственные
кристаллические
решетки, в
узлах которых располагаются центры
атомов или молекул данного вещества.
Чаще всего кристаллическая решетка
строится из ионов (положительно и
отрицательно заряженных) атомов, которые
входят в состав молекулы данного
вещества. Например, решетка поваренной
соли содержит ионы Na+
и Cl–,
не объединенные попарно в молекулы NaCl
(рис. 3.6.1). Такие кристаллы называются
ионными.
В
каждой пространственной решетке можно
выделить структурный элемент минимального
размера, который называется
элементарной
ячейкой. Вся
кристаллическая решетка может быть
построена путем параллельного переноса
(трансляции)
элементарной ячейки по некоторым
направлениям.
Теоретически
доказано, что всего может существовать
230 различных пространственных
кристаллических структур. Большинство
из них (но не все) обнаружены в природе
или созданы искусственно.
Кристаллические
решетки металлов часто имеют форму
шестигранной призмы (цинк, магний),
гранецентрированного куба (медь, золото)
или объемно центрированного куба
(железо).
Кристаллические
тела могут быть
монокристаллами
и
поликристаллами.
Поликристаллические тела состоят из
многих сросшихся между собой хаотически
ориентированных маленьких кристалликов,
которые называются
кристаллитами.
Большие монокристаллы редко встречаются
в природе и технике. Чаще всего
кристаллические твердые тела, в том
числе и те, которые получаются искусственно,
являются поликристаллами.
В
отличие от монокристаллов, поликристаллические
тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы
во всех направлениях. Поликристаллическое
строение твердого тела можно обнаружить
с помощью микроскопа, а иногда оно видно
и невооруженным глазом (чугун).
Это
явление называется
полиморфизмом.
Переход из одной модификации в другую
называется
полиморфным
переходом.
Интересным и важным примером полиморфного
перехода является превращение графита
в алмаз. Этот переход при производстве
искусственных алмазов осуществляется
при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и
температурах
1500–2000 К.
Структуры
кристаллических решеток экспериментально
изучаются с помощью дифракции
рентгеновского излучения на монокристаллах
или поликристаллических образцах.
На
рис. 3.6.2 приведены примеры простых
кристаллических решеток. Следует
помнить, что частицы в кристаллах плотно
упакованы, так что расстояние между их
центрами приблизительно равно размеру
частиц. В изображении кристаллических
решеток указывается только положение
центров частиц.
В
простой
кубической решетке
частицы
располагаются в вершинах куба. В
гранецентрированной
решетке
частицы
располагаются не только в вершинах
куба, но и в центрах каждой его грани.
Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной
соли состоит из двух вложенных друг в
друга гранецентрированных решеток,
состоящих из Na+
и Cl–.
Вобъемноцентрированной
кубической решетке
дополнительная
частица располагается в центре каждой
элементарной кубической ячейки.
Кристаллические
структуры металлов имеют важную
особенность. Положительно заряженные
ионы металла, образующие кристаллическую
решетку, удерживаются вблизи положений
равновесия силами взаимодействия с
«газом
свободных электронов»
(рис. 3.6.3).
Электронный газ образуется за счет
одного или нескольких электронов,
отданных каждым атомом. Свободные
электроны способны блуждать по всему
объему кристалла.
Это
было связано с открытием метода
рентгеноскопии, в котором исследуемое
вещество помещается в пучок рентгеновского
излучения и на фотопластинке фиксируется
картина после прохождения пучка через
слой исследуемого вещества. Рассеяние
рентгеновских лучей иногда приводит к
появлению интерференционной картины,
которая имеет расположенные в строгом
порядке минимумы и максимумы.
Образование
интерференционной картины было
интерпретировано следующим образом:
вещество имеет атомное строение, атомы
образуют пространственную строго
упорядоченную пространственную решетку
с определенным значением периода
решетки, характерного для данного
вещества. Когда длина волны рентгеновского
излучения совпадает с параметром решетки
возникает интерференционная картина.
Оказалось, что практически для всех
“твердых тел“ можно было обнаружить
участки со строго упорядоченной
интерференционной картиной, тогда как
в газах, жидкостях и стеклах такую
упорядоченность обнаружить не удалось.
В связи с этим возникло разделение
вещества на упорядоченное или
кристаллическое
и неупорядоченное
или аморфное.
Изучение
механических свойств кристаллических
веществ привело к необъяснимому
результату: их фактическая прочность
была на несколько порядков ниже, чем
рассчитанная теоретически. Исследования
показали, что в природе практически не
существует идеальных кристаллов, и
любая кристаллическая решетка имеет в
своей структуре так называемые дефекты
упаковки различного рода. Впоследствии
была произведена классификация дефектов
и были выделены:
При
описании дефектов стали считать положения
частиц в узлах кристаллической решетки
правильными, а в междоузлиях – неправильными
или дефектными. В связи с этим для
описания кристаллических веществ
пришлось ввести два фундаментальных
понятия – понятие
пространственной
решетки –
геометрического построения, помогающего
выявить законы симметрии или наборы
симметричных преобразований кристаллической
структуры, и понятие
структуры
кристалла –
конкретного расположения частиц в
пространстве.
Таким
образом узаконивался факт неидеальности
кристаллической структуры вещества в
целом.
Недавние
исследования Аракеляна показали, что
дефекты плотности необходимо рассматривать
как неотъемлемое свойство кристаллических
веществ. Пикнометрическая плотность r
p , равная количеству массы, приходящейся
на единицу объема, является характеристикой
реального кристалла, тогда как
рентгенографическая плотность r
x
характеризует
идеальный кристалл. Изменение плотности
реального кристалла относительно ее
теоретического значения назовем дефектом
плотности и обозначим индексом d r .
В
общепринятой трактовке даже при
фиксированных температуре и давлении
d r не может характеризоваться каким-либо
определенным значением, так как возможные
виды дефектов кристалла и их концентрация
зависят от множества неуправляемых
факторов. Между тем, сравнительный
анализ данных по r p и r
x
показал,
что в веществах, исследованных при
нормальных условиях, значения d r оказались
подчинены строгой количественной
зависимости от их среднего атомного
номера Zср,
рассчитываемого как среднее арифметическое
атомных номеров всех атомов, входящих
в состав вещества. Таким образом, стало
очевидно, что дефект плотности является
существенным свойством кристаллических
веществ (по крайней мере, широкого класса
алмазоподобных полупроводников
О
значительной роли так называемых
дефектов кристаллической решетки
говорит также тот факт, что очень часто
относительно малый объем примесных
(дефектных) атомов глобально меняет
свойства основного материала. Например,
добавление нескольких десятых долей
процента атомов углерода позволяет
существенно повысить прочностные
характеристики чистого железа, превращая
его в углеродистую сталь – совершенно
иной конструкционный материал. Добавка
примерно 0,001 % висмута предотвращает
переход белого олова в серое, стабилизируя
металлическое олово при низких
температурах, тогда как добавка 0,1 %
алюминия ускоряет этот процесс
Все
это не позволяет рассматривать
разнообразные отклонения кристаллической
решетки от “идеальной” как дефекты.
По всей видимости, необходимо признать
эти отклонения полноправными структурными
единицами и отказаться от деления
реальных материалов на аморфные и
кристаллические, потому что, как было
показано выше, в каждом кристалле
существуют многочисленные области
нарушения периодичности трансляции
кристаллической решетки, и, следовательно,
каждый кристалл в той или иной степени
является аморфным.
Каждый школьник знает, что любое вещество на планете может существовать в одном из четырех агрегатных состояний. Большой интерес в физике представляют собой твердые тела. По своей структуре их разделяют на два основных класса: кристаллические и аморфные. Отличием тел друг от друга занимается специальный раздел физики конденсированного состояния.
Твердое вещество
В термодинамике существует понятие об энергии Гиббса, минимум которой является достаточным критерием для существования определенной фазы в конкретно заданных условиях. Основные параметры окружающей среды, от которых зависит энергия Гиббса, это температура и давление.
По мере увеличения температуры и уменьшения давления можно наблюдать следующую последовательность переходов между агрегатными состояниями одного и того же с точки зрения химии вещества:
Таким образом, твердое вещество является энергетически стабильным при низких температурах и высоких давлениях, причем обе величины оказывают независимый вклад в функцию энергии Гиббса.
В отличие от других агрегатных состояний твердое характеризуется следующими особенностями, которые присущи только ему:
Примерами являются деревянная палка, кусок металла, стекло, золотое украшение, пластиковый корпус компьютера и так далее. Все эти предметы способны длительное время сохранять свою форму и не изменять объем.
Характеристика кристаллических и аморфных тел
Чтобы ясно понять, чем отличаются аморфные вещества от кристаллических, необходимо с каждым из этих классов познакомиться отдельно. Отличить один вид от другого часто только по внешним признакам не удается, поскольку оба имеют признаки твердого соединения. Многие люди иногда путают их между собой. Например, красивые стеклянные фрески ошибочно воспринимают кристаллами, а сосульки на крышах домов считают неверно аморфными соединениями.
Основное отличие между двумя классами веществ заключается в особенностях их внутреннего строения, в основе которого лежит пространственное расположение структурных единиц (атомов, молекул).
Упорядоченное строение
Кристаллы являются достаточно обширным классом веществ. Для них характерна строгая периодичность в пространстве составляющих их структурных единиц. Последние носят название элементарных ячеек.
Наука, которая занимается изучением этого подвида твердых тел, называется кристаллографией. В ней для описания геометрических свойств монокристаллов вводят координатные оси. В большинстве случаев используют декартову прямоугольную систему координат, с которой удобно работать на практике. Если взять определенную группу атомов или молекул и перемещать ее на элементарные векторы вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, то получится весь объем кристалла. Используемая при этом группа атомов называется элементарной ячейкой.
Поскольку периодичность в кристаллах может отличаться величинами элементарных векторов трансляции и характером расположения атомов в выбранной для перемещения группе, то в кристаллографии вводят несколько сингоний (кристаллических систем имеющих определенную пространственную группу симметрии). Их 6, и следует их расположить в таком порядке:
Чем больше номер сингонии, тем более высокой симметрией обладают ее кристаллы. Так, кубическая — это самая симметричная система. Ей обладают большинство металлов. Например, медь, серебро, золото и алюминий имеют гексагональную гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). В свою очередь, железо, вольфрам, ниобий, молибден, ванадий — это представители объемноцентрированной кубической решетки (ОЦК). Некоторые металлы характеризуются гексагональной сингонией (ГПУ), например, кобальт, титан и цирконий.
Аллотропные модификации
Необходимо вспомнить о существовании так называемых аллотропных модификациях. Они представляют собой разное кристаллическое строение одного и того же по своему химическому составу вещества.
Здесь будет наглядным привести пример железа при атмосферном давлении. Когда температура окружающей среды меньше 911 градусов по Цельсию, то его стабильной является решетка ОЦК. Как только температура становится выше, происходит перестройка структуры в более выгодное энергетическое состояние. Выше 911 градусов железо имеет решетку ГЦК. В промежутке температур 1392−1539 градусов по Цельсию снова образуются кристаллы ОЦК.
Другим примером является олово. Оно бывает двух аллотропных модификаций: белое и серое. Первая из них представляет собой высокотемпературную (выше 13 градусов) и обладает высокой пластичностью, свойственной любому металлу. Серое же олово существует в стабильном состоянии при температурах ниже 13 градусов и характеризуется высокой хрупкостью. Именно поэтому не следует использовать оловянную посуду при низких температурах, поскольку она просто-напросто превратится в пыль.
Анизотропия свойств
В какой бы аллотропной форме ни находилось кристаллическое вещество, оно всегда характеризуется анизотропией физических свойств. Причина этого — все то же упорядоченное строение. Например, поваренная соль при попадании в воду растворяется строго по определенным плоскостям, которые являются наиболее плотноупакованными. Другой пример — кристалл турмалина, в зависимости от того, в каком направлении относительно него падает луч света, он может проявлять или не проявлять свойства двойного лучепреломления.
Уникальным свойством многих кристаллов, подтверждающим их анизотропный характер, является отнесение многих из них к классу пьезо- или пироэлектриков. Так, механическая деформация в определенном направлении или локальный нагрев приводят к появлению разности потенциалов между двумя точками кристалла.
Весьма наглядным примером является также графит. Для него характерно наличие плотноупакованных гексагонов, которые соединены друг с другом слабыми пи-связями. Даже небольшое механическое усилие, направленное перпендикулярно этим связям, приводит к расслоению графита.
Отсутствие дальнего порядка
Аморфные вещества — это твердые тела, которые не обладают характерным для кристаллов дальним порядком. Иными словами, в них нельзя выбрать элементарную ячейку и оси трансляции таким образом, чтобы с помощью ее переноса на определенные вектора получить весь объем.
Детальное изучение амфотерных соединений и их сравнение с кристаллами привело ученых к выводу, что они все же обладают так называемым ближним порядком (сходство с кристаллическим состоянием). Этот факт можно объяснить тем, что каждый атом или молекула обладает способностью образовать определенное количество связей (ковалентных, диполь-дипольных, ионных, водородных и другие) до их насыщения. Кроме того, само пространство вокруг частицы является ограниченным, и в случае плотной упаковки в нем может расположиться лишь определенное количество атомов или молекул.
Практически любое твердое тело можно получить в аморфном виде. Для этого необходимо его расплав или газовую фазу охладить с высокой скоростью. В случае металлов она должна достигать миллионов градусов в секунду. Полученные в таких условиях аморфные ленты обладают рядом уникальных характеристик. Если сравнить их с аналогичными свойствами для кристаллов, то можно выделить следующее:
Аморф — это хаос в расположении составляющих его частиц, поэтому не идет никакой речи об аллотропных модификациях или анизотропии свойств в таких веществах. Также для них нет четкой температуры плавления, поскольку это твердое тело напоминает собой застывшую жидкость. Если его нагревать, то оно плавно будет уменьшать свою вязкость. Примером может служить любой пластик. Его нагрев приводит к постепенному появлению мягкости и тягучести.
Причина отличия свойств
Из описания характеристик кристаллов и аморфных веществ следует, что они различаются практически во всем, кроме того факта, что оба относятся к твердому агрегатному состоянию. Тем не менее у всех этих физических различий имеется лишь одна-единственная причина — пространственная структура на микроскопическом уровне.
Если наблюдается дальний порядок и периодичность в расположении элементарных структурных единиц, то вещество является кристаллом и для него характерны анизотропия, полиморфизм, четкий переход в жидкое состояние. Если же дальнего порядка в расположении частиц нет, а существует только их ближнее упорядочивание, то можно говорить, что его свойства по всем направлениям одинаковы, отсутствует полиморфизм и температурная точка плавления.
Различие характеристик кристаллов и аморфных веществ позволяет человеку значительно изменять свойства твердых тел с использованием только физических методов воздействия, что открывает широкие возможности для применения их для нужд жизнедеятельности. Изменение химического состава вещества может создавать условия для его кристаллизации или аморфизации.
Вопрос школьника по предмету Физика
помогиие много балловКристаллические и аморфные тела
1. Какое свойство отличает кристалл от аморфного тела?
А. Прочность. Б. Твердость. В. Прозрачность. Г. Анизотропность.
2. Какое из перечисленных ниже веществ имеет определенную точку плавления?
А. Стекло. Б. Пластмасса. В. Рубин. Г. Смола.
3. Какое из приведенных ниже суждений справедливо?
А. Аморфное тело может со временем превратиться в кристаллическое. Б. Кристаллическое тело может превратиться в аморфное. В. Аморфное тело никогда не может превратиться в кристаллическое. Г. Между аморфными и кристаллическими телами нет принципиальной разницы.
4. Какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки льда?
А. Нейтральные атомы. Б. Молекулы. В. Ионы. Г. Электроны.
5. Одинаковые кубики из стекла и монокристалла кварца опущены в горячую воду. Сохранят ли кубики свою форму?
А. Сохранит форму только стеклянный кубик. Б. Сохранит форму только кубик из кварца. В. Оба кубика сохранят форму. Г. Оба кубика не сохранят форму.
6. Как влияют дефекты в кристалле на его прочность?
А. Всегда уменьшают прочность. Б. Всегда увеличивают прочность. В. Могут уменьшить или увеличить прочность. Г. Не влияют.
Ответ учителя по предмету Физика
Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.
Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.
Кристаллическая структура и решетка
Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.
Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.
Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр
Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.
Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.
Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.
Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов
Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.
Сульфат алюминия-калия монокристалл
Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.
Возможные способы роста и образования
https://youtube.com/watch?v=SbTzPITAavY%3Fecver%3D2