Кристаллические и аморфные тела

Физико-механические свойства твердых тел.

Если средняя кинетическая энергия движения молекул становится по величине меньше потенциальной энергии их взаимодействия, то вещество переходит в твердое состояние (кристаллическое или аморфное).

Для пространственного описания внутренней структуры кристаллических тел пользуются понятием кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка — пространственное рас­положение частиц (узлов решетки) вещества друг относи­тельно друга. Для нее характерна определенная периодич­ность, которую обычно различают как периодичность ближ­него (между непосредственно соседствующими узлами), так и дальнего (для отдельных кри­сталлов и всего твердого тела в целом) порядка.

В основе кристаллической ре­шетки лежит элементарная ячей­ка, представляющая собой па­раллелепипед (рис. 23.1) с харак­терным для данной решетки рас­положением узлов (в узлах мо­гут находиться атомы, ионы, мо­лекулы).

Большое число одинаковых элементарных кристаллических ячеек, плотно прилегающих друг к другу и сохраняющих параллельность ребер и граней, об­разует кристалл (дальний порядок).

Формы кристаллов чрезвычайно разнообразны, но число возможных элементарных ячеек, обладающих различной сим­метрией, ограниченно.

Если рассматривать только пространственную периодич­ность в расположении атомов (или ионов, молекул), можно отвлечься от физической структуры и рассматривать атомы как геометрические точки. Такое представление о пространст­венной решетке было введено Огюстом Браве. Пространствен­ные решетки получили название решеток Браве, а ячейки, которые их образуют, называются ячейками Браве.

Итак, решетка Браве — бесконечная периодическая струк­тура, образованная дискретными точками и имеющая абсолютно одинаковый пространственный порядок и ориентацию (причем, пространственный порядок и ориентация не зависят от того, какую точку структуры мы принимаем за исходную).

По форме ячейки в зависимости от базисов а, b, с и углов α, β, γ (рис. 23.1) подразделяются на 14 типов решеток — решеток Браве (О. Браве на основе чисто геометрических рас­суждений рассчитал число возможных типов решеток). Е. С. Федоров исходя из предположения, что плотное запол­нение пространства кристаллическими ячейками возможно только при определенной форме ячеек, определил количество возможных типов геометрического расположения атомов в кристаллах. Оказалось, что может существовать 230 прост­ранственных групп решеток с различными типами симметрии. Всe эти типы решеток встречаются в природе.

Всего существует 7 основных кристаллических систем (рис. 23.2): а — кубическая; б — тетрагональная; в — гексогональная; г — ромбоэдрическая (тригональная); д — ромбиче­ская; е — моноклинная; ж — триклинная. Поскольку в кри­сталле частицы могут располагаться не только в узлах ячей­ки, но и в середине граней (гранецентрированная решетка) или в середине диагональной плоскости, проходящей через вершины (объемоцентрированная решетка), то все 7 кристал­лических систем дают 14 типов решеток Браве.

На рис. 23.2 показано, чем отличаются все 14 типов ре­шеток друг от друга: буквой Г обозначены гранецентрированные кристаллы; буквой О — объемоцентрированные; П — при­митивные (простые); Б — базоцентрированные.

Значительная часть кристаллов представляет собой сово­купность нескольких типов решеток Браве, вдвинутых одна в другую, периоды кристаллических решеток (расстояние между соседними узлами) порядка 10 ^-7 см.

Аморфные структуры вещества следует рассматривать как жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости (пере­охлажденные жидкости). Они, так же как и жидкости, имеют лишь ближний порядок в расположении молекул (непосред­ственных соседей), поэтому их теоретическое описание такое же сложное, как и у жидкостей.

Свойства аморфных тел во многом зависят от способа их образования. Иногда одно и то же вещество может при дан­ной температуре существовать как в аморфном, так и в кри­сталлическом состоянии (стекло, сера, гипосульфит и т. д.). При низких температурах аморфное вещество способно мед­ленно переходить в кристаллическую форму (стекло, сера, олово).

Поэтому, строго говоря, твердыми телами следует назы­вать только кристаллические тела, а аморфные можно рас­сматривать как сильно переохлажденные жидкости с очень большим коэффициентом вязкости.

Различие между аморфными и кристаллическими телами удобно рассматривать с энергетической стороны: плавление и отвердевание кристаллических тел происходит при опреде­ленной температуре, при которой вещество одновременно мо­жет находиться в жидкой и твердой фазах; аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. На рис. 23.3 изображены процессы плавления кри­сталлического и аморф­ного тел, по осям отло­жена температура Т и время t.

На участке АВ (кри­вая I) происходит нагре­вание кристаллического тела, на участке ВС твер­дое тело переходит в жидкое состояние при постоянной тем­пературе T_пл, подводимая теплота полностью расходуется на перевод из кристаллического состояния в жидкое (на разру­шение дальнего порядка). Молекулы тела, получая энергию, приобретают большую свободу движения, могут двигаться по­ступательно. Таким образом, единица массы жидкости, нахо­дящейся при температуре плавления, обладает большей внут­ренней энергией, чем единица массы кристаллической фазы. Разность этих энергий равна удельной теплоте плавления. Молярная теплота кристаллизации у различных веществ ме­няется не очень сильно: от 10² до 10⁴ Дж/моль. Участок CG соответствует нагреванию жидкой фазы.

Кривая II (рис. 23.3) для аморфных тел не имеет гори­зонтального участка, имеется лишь точка перегиба D. Темпе­ратура, соответствующая этой точке, условно называется температурой размягчения (плавления) аморфных тел. Как видно из графика, размягчение аморфных тел происходит весьма постепенно, удельная теплота плавления отсутствует. Подвод тепла приводит к плавному повышению температуры (увеличению энергии теплового движения молекул), умень­шению вязкости.

Таким образом, с энергетической точки зрения кристалли­ческие и аморфные тела принципиально различаются тем, что процесс плавления кристаллических тел и обратный ему (кри­сталлизация) сопровождаются тепловым эффектом (погло­щением или выделением тепла) при постоянной Т. При неиз­менной температуре у аморфных тел этот эффект не наблю­дается.

Другое важное отличие кристаллических тел от аморф­ных — явление анизотропии, т. е. зависимости свойств (элек­тропроводности, теплопроводности, двойного лучепреломле­ния и т. д.) от выбранного направления в теле.