Твердое тело. Кристаллические и аморфные тела.

Твердыми телами называются тела, которые обладают постоянством формы и объема. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Подавляющее большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение (например, почти все минералы, металлы).

Рассмотрим отличительные особенности кристаллического состояния.

1. Самой характерной чертой кристаллических веществ является свойство анизотропии. Она заключается в зависимости ряда физических свойств (например, механических, тепловых, электрических, оптических) от направления.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Газы, почти все жидкости и аморфные тела изотропны. Аморфные тела ведут себя как жидкости, но только потерявшие свойство текучести, или обладающие чрезвычайно высокой вязкостью. Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состоянии. Например, сера, которая в кристаллическом состоянии имеет минимальную энергию, поэтому кристаллическое состояние у серы устойчиво, а аморфное – нет.

Существует большая группа веществ, которые аморфными не являются, но обладают свойством изотропии. Это поликристаллические вещества. К ним относятся все металлы. Поликристалл состоит из плотно расположенных кристалликов. Изотропия объясняется беспорядком в расположении этих кристалликов.

Большие одиночные кристаллы, которые получают из расплава или раствора, называются монокристаллами.

2. Второй характерный признак, отличающий кристаллы от аморфных тел, – это поведение при расплавлении. Пусть тело равномерно нагревается и количество подводимого тепла постоянно. Тогда графически поведение будет выглядеть следующим образом.

3. Кристаллические тела имеют правильную геометрическую форму. А аморфные нет. Если же форма кристалла нарушена условиями роста и механической обработки, то принадлежность образца к кристаллам может быть определена по следующим особенностям: 1) поверхность скола есть плоскость; 2) постоянство углов между плоскостями скола.

Кристаллическое состояние – это предмет изучения современной физики. В основе теории твердого тела лежит модель бесконечного совершенного монокристалла. Закономерное расположение частиц в кристалле соблюдается на сотнях тысяч или миллионах межчастичных расстояний. Поэтому говорят о существовании в кристаллах «дальнего порядка» расположения частиц в отличие от ближнего порядка в жидкостях и аморфных телах.

Вследствие правильного расположения атомов кристалл обладает свойствами симметрии. Симметрия кристаллической решетки – ее свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, поворотах, отражениях или их комбинациях и т. д. Например, правильный шестиугольник. Применительно к кристаллам имеются операции симметрии: поворот вокруг оси; зеркальное отображение в плоскости; зеркальное отображение в точке; зеркальное отражение в плоскости с последующим поворотом вокруг оси.

Идеальный монокристалл можно представить себе как периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой. С геометрической точки зрения такую структуру можно получить с помощью операции параллельного переноса, которая называется трансляцией. Она описывается вектором:

При перемещении кристалла вдоль трех направлений на отрезки a, b, c параллельно самому себе, будет воспроизводиться конфигурация частиц, образующих кристалл. Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента –элементарной ячейки.

Для описания элементарных ячеек пользуются кристаллографическими осями координат, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на ребрах а, b, с с углами a, b и g между ребрами. Величины а, b, с и a, b и g называютсяпараметрами элементарной ячейки.