Аморфні тіла. Тверді тіла, їх ознаки та деякі властивості II. Вивчення нового матеріалу

Природні та рукотворні тіла.Ви вже знаєте, що розрізняють природу живу і неживу. Використовуючи рис. 9, назвіть тіла живої та неживої природи.

Крім природних тіл, існують також рукотворні тіла, створені людиною. Наприклад, вдень кімнату висвітлює природне тіло Сонце, а ввечері ми користуємося рукотворними тілами - настільною лампою або люстрою. Моря і річки - природні тіла, а басейн і ставок - рукотворні. Вони відрізняються за формою, розмірами, масою, обсягом.

Показники тел.Зазначені характеристики дають можливість розрізняти тіла. Погодьтеся, складно переплутати шкільний підручник та куряче яйце, оскільки вони мають різну форму. Підручник - тіло правильної форми. Можна виміряти його довжину, ширину та висоту. Виміряти розміри курячого яйцянеможливо, оскільки це тіло неправильної форми.

Описуючи гори, ми говоримо, що ці тіла неживої природи мають великі розміри, чого не скажеш про колоску пшениці.

Вода в твердому, рідкому та газоподібному станах

Немає необхідності зважувати кавун та вишню, щоб безпомилково визначити, що кавун набагато важчий. Маса- Це ще одна характеристика тел.

Охарактеризувати тіла можна і за обсягом. Відро має значно більший обсяг, ніж чашка. Об'єм тіла прямокутної форми визначають, помноживши значення його довжини, ширини та висоти. Щоб виміряти об'єм тіла неправильної форми, треба занурити його у воду. Обсяг тіла дорівнює об'єму витісненої тілом води.

Характеристики тіл- Це ознаки, за якими вони різняться. До характеристик тіл відносяться форма, розміри, маса, обсяг.Лінійні розміри, масу та обсяг тіл вимірюють за допомогою приладів.

Характеризуючи тіла, звертають увагу на їхній агрегатний стан. Розрізняють тверде тіло, рідина, газ.Копійка – це тверде тіло, роса – рідке, а повітря – газоподібне. Тіла природи переважно тверді.

Форма тіл сприймається візуально, тобто у вигляді зору. Використовуючи рис. 10, спробуйте порівняти тіла за формою і розмірами. Матеріал із сайту

Опис тіла за планом.Використовуючи характеристики, тіла можна описувати за планом: 1) форма; 2) розміри; 3) маса; 4) обсяг. Опишемо за цим планом моркву, попередньо вимірявши її довжину (12 см) і масу (100 г). Щоб визначити обсяг, необхідно занурити моркву в мірний циліндр з водою (рис. 11). Попередньо запам'ятаємо показники об'єму води на шкалі циліндра до занурення моркви, а потім після занурення. Різниця обсягів і буде обсягом моркви. У цьому прикладі вона становить приблизно 30 мл.

Дані вимірювання дають можливість охарактеризувати моркву таким чином: тіло неправильної форми довжиною 12 см, масою 100 г і об'ємом 30 мл.

За цими ж ознаками ви можете самостійно порівнювати різні природні та рукотворні тіла.

З допомогою розмірів, маси, форми та обсягу тіл можна як описати тіло, а й порівняти його коїться з іншими.

Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком

Фізика твердого тіла – один із тих стовпів, на яких спочиває сучасне технологічне суспільство. По суті, вся армія інженерів працює над найкращим використанням твердих матеріалів при проектуванні та виготовленні найрізноманітніших інструментів, верстатів, механічних та електронних компонентів, необхідних у таких галузях як зв'язок, транспорт, комп'ютерна техніка, а також фундаментальні дослідження.

ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ

До фізичних властивостей твердих тіл відносяться механічні, теплові, електричні, магнітні та оптичні властивості. Їх вивчають, спостерігаючи, як поводиться зразок при зміні температури, тиску або об'єму, в умовах механічних напруг, електричних та магнітних полів, температурних градієнтів, а також під впливом різних випромінювань – світла, рентгенівських променів, пучків електронів, нейтронів тощо .

структура.

Тверде тіло складається із атомів. Саме його існування вказує на наявність інтенсивних сил тяжіння, що зв'язують атоми воєдино, та сил відштовхування, без яких між атомами не було б проміжків. Внаслідок таких взаємодій атоми твердого тіла частково втрачають свої індивідуальні властивості, і саме цим пояснюються нові, колективні властивості системи атомів, яка називається твердим тілом.

Яка природа цих сил? Вільний атом складається з позитивно зарядженого ядра і деякого числа негативно заряджених електронів (маса яких значно менша за масу ядра). Добре відомі кулонівські (електричні) сили, що діють між зарядженими частинками, створюють тяжіння між ядром та електронами, а також взаємне відштовхування між електронами. Тому тверде тіло можна розглядати як що складається з системи взаємно відштовхуються ядер і системи електронів, що взаємно відштовхуються, причому обидві ці системи притягуються один до одного. Фізичні властивості такого об'єкта визначаються двома фундаментальними фізичними теоріями – квантовою механікою та статистичною механікою. Хоча характер взаємодій між частинками відомий, їх надзвичайно велике число (~ 10 22 ядер і ще більше електронів 1 см 3 ) не дозволяє дати точне теоретичне опис твердого тіла. ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ; КВАНТОВА МЕХАНІКА; СТАТИСТИЧНА МЕХАНІКА.

Використання моделей.

У фізиці твердого тіла зазвичай приймають спрощені моделі твердого тіла, а потім проводять обчислення їх фізичних властивостей. Моделі повинні бути досить простими, для того щоб був можливий їх теоретичний опис, і в той же час досить складними, для того щоб вони мали досліджувані властивості. Наприклад, пояснення деяких загальних закономірностей електричної провідності цілком підходить проста модель металу як системи позитивних іонів, занурених у газ рухливих електронів. Але виявилося дуже важко побудувати відповідну фізичну модель, яка дозволила хоча б якісно пояснити явище надпровідності, відкрите в 1911 році голландським фізиком Камерлінг-Оннесом.

Надпровідність.

Відомо, що за низьких температур у багатьох металів і сплавів надзвичайно підвищується здатність проводити електрику. (Електричний струм є впорядкованим рухом електронів.)

У 1956 американський фізик Л.Купер дійшов висновку, що за певних умов електрони провідності в металі можуть утворювати слабко пов'язані пари. Саме ці куперівські пари лежать в основі знаменитої теорії надпровідності Бардіна - Купера - Шріффера (БКШ), побудованої в 1957; в 1972 ці три американські фізики були удостоєні Нобелівської премії.

У надпровідному стані речовина не чинить опору електричному струму. Тому надпровідні речовини становлять великий інтерес для енергетиків, які розраховують за їх допомогою, наприклад, передавати електричний струм на значні відстані без теплових та інших втрат. Проте вище за певну (так звану критичної) температури надпровідність зникає, і у металу знову з'являється електричний опір. У деяких умовах надпровідність руйнується також магнітним полем. Електричний струм, що проходить через надпровідник, створює на поверхні власне магнітне поле, тому існує верхня межа щільності надпровідного струму, вище якого надпровідність також руйнується. Все це, і насамперед низькі критичні температури, обмежує можливості широкомасштабного застосування надпровідників. Надпровідники необхідно постійно охолоджувати рідким воднем, а ще краще рідким гелієм. Проте надпровідні обмотки (наприклад, зі сплавів титану з ніобієм) вже знайшли широке застосування в електромагнітах. Продовжується пошук нових матеріалів (у тому числі органічних кристалів та полімерів) з вищими критичними температурами, а також можливостей подальшого застосування надпровідників. Фахівці сподіваються, що широкомасштабне застосування надпровідників в електродвигунах та генераторах промислового виробництва розпочнеться вже найближчими роками. Особливо захоплюючі перспективи обіцяє застосування надпровідників у рейковому транспорті. При русі магніту щодо провідника в провіднику індукуються вихрові струми, які у свою чергу породжують магнітні поля, що відштовхують магніт, що рухається. Забезпечивши, наприклад, поїзд надпровідним магнітом і використовуючи рейку як провідник, можна досягти ефекту магнітного підвішування (левітації). Такі поїзди на магнітній підвісці повинні, як вважається, мати низку переваг перед звичайними поїздами та поїздами на повітряній подушці.

Ефект Джозефсон.

Інший напрямок розвитку в області надпровідності було ініційовано роботою англійського фізика Б.Джозефсона, який у 1962 році передбачив можливість дивовижних ефектів, пов'язаних з проходженням (квантовомеханічним тунелюванням) куперівських електронних пар від одного надпровідника до іншого крізь тонкий шар. Експерименти незабаром підтвердили його прогнози. Однією з цікавих властивостей такого переходу (званого джозефсонівським) є те, що струм куперівських пар через нього можливий навіть за відсутності різниці потенціалів між надпровідниками. (Згідно з класичними уявленнями, електричний струм виникає лише між точками з різними значеннями потенціалу.) Однак ще більш разючий ефект полягає в тому, що постійна різниця потенціалів, прикладена до джозефсонівського переходу, викликає виникнення змінного струму через перехід. Частота цього струму дається простою формулою n = 2eV/h, де 2 e- Заряд куперовської електронної пари, V- Додана напруга, а h– фундаментальна константа, яка називається постійною Планкою.

Не дивно, що за теоретичними передбаченнями Джозефсона пішла хвиля досліджень у фізиці та техніці. Пристрої, засновані на ефекті Джозефсона, знайшли застосування як надчутливі детектори в різних областях від радіоастрономії до біомедичних додатків. У 1973 році Джозефсону була присуджена Нобелівська премія за внесок у фізику твердого тіла.

Транзистори.

Можливо, найбільше впливом геть розвиток сучасної фізики твердого тіла надали відкриття американських фізиків, зроблені 1949: транзистора з точковими (Дж.Бардин, У.Браттейн) і площинними (У.Шокли) переходами. Ці відкриття було зроблено під час дослідження електричних властивостей особливого класу твердих тіл, званих напівпровідниками.

Транзистор був першим напівпровідниковим пристроєм, здатним виконувати такі функції вакуумного тріода (що складається з анода, катода та сітки), як посилення та модуляція. Транзистор мав безперечні переваги перед електронною лампою, оскільки не потребував струму розжарювання катода, мав значно менші розміри і масу, а також більший термін служби. Тому транзистори невдовзі витіснили електронні лампи та зробили революцію в електронній промисловості. Другий етап цієї революції відповідав переходу від окремих транзисторів до інтегральних мікросхем. Така мікросхема містить на поверхні монокристалу кремнію (чіпа) площею 1 мм 2 багато тисяч схемних компонентів. Електротехніку на мікроскопічному та атомному рівні зазвичай називають мікроелектронікою. За свої фундаментальні дослідження в області напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту в речовинах типу германію та кремнію Шоклі, Бардін та Браттейн були удостоєні Нобелівської премії у 1956. ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА; Термоелектронна емісія.

Широкий діапазон властивостей твердих тіл, широта області їх технічного застосування, а також практично невичерпні можливості створення нових твердих хімічних сполук висувають фізику твердого тіла на одне з перших місць таких дисциплін, як фізика, хімія, металургія, різні областіінженерної практики, а також біологічні та медичні науки. Фізика твердого тіла є найбільшою з областей фізики; в ній зайнята приблизно чверть усіх дослідників, що працюють у фізиці, і їй присвячена відповідна частка наукових публікацій. Особливо цінні міждисциплінарний характер фізики твердого тіла та плідний вплив, який її теорія, експерименти і практичні додатки надаються як на чисту науку, так і на техніку.

Симетрія та класифікація кристалів.

Кристалографією (у дещо обмеженому значенні слова) називається наука, яка описує геометричні властивості кристалів та його класифікацію з урахуванням поняття симетрії. Вивчення кристалічної структури є основою фізики твердого тіла. Основна сума даних кристалографії була накопичена вже до кінця 19 ст.

Зразки природних мінералів, наприклад берилу, алмазу або кам'яної солі, мають плоскі грані та прямі ребра, що визначають їх типовий зовнішній вигляд (рис. 1). Такі речовини прийнято називати кристалами, хоча ще до кінця середньовіччя цей термін застосовувався виключно до кварцу. Перші мінералоги цікавилися передусім формою кристалів, тобто. їх морфологією. Н.Стенон, датський лікар при дворі великого герцога Тоскани і дослідник у галузі геології, в 1669 відкрив закон сталості кутів між гранями. Відповідно до закону Стенона, кути між відповідними гранями кристала даної речовини одні й самі для всіх його кристалів. Справедливість цього закону була багаторазово підтверджена, особливо після численних вимірів, проведених Р.де Лілем в 1772. Задовго до цього такі вчені, як Кеплер, Декарт, Гюйгенс і Гук, висловлювали припущення у тому, що зовнішні форми кристалів відбивають правильне (регулярне) внутрішнє розташування сферичних або еліпсоїдальних частинок. У 1782 Р. Аюї узагальнив ці уявлення. Він вважав, що тривимірний кристал, що має форму паралелепіпеда, складається з однакових «цеглинок». Виходячи з такого уявлення, Х.Вейсс в 1808 ввів систему кристалографічних осей, що визначається трьома векторами a, b, c, що відповідають трьом сторонам «цеглинки» Аюї, тобто. елементарного осередку. Безліч безліч точок (вузлів), положення яких визначається вектором R = n 1 a + n 2 b + n 3 c, де n 1 , n 2 та n 3 – цілі числа, називається просторовими ґратами. Такі ґрати – не кристал, а суто математичний об'єкт. Однак з її допомогою можна побудувати кристал, якщо в кожен її вузол помістити елемент, що повторюється, що складається з одного або декількох атомів (рис. 2). І навпаки, можна побудувати просторові ґрати, що відповідають кристалу, якщо вибрати довільну точку (вузол) P 1 , а потім знайти всі інші точки P 2 , P 3 ,..., що володіють тією властивістю, що оточення цих точок виглядає у всіх відношеннях точно так само, як воно виглядає з точки P 1 . Безліч точок P 1 , P 2 , P 3 ,... у такому разі утворює просторову решітку кристала.

Класифікація решіток та кристалів на основі поняття симетрії потребує суворих визначень. Операцією симетрії називається така операція, яка, будучи виконана над твердим тілом, залишає це тіло незмінним, і тоді це тіло називається інваріантним щодо цієї операції. (Наприклад, сфера інваріантна по відношенню до обертання навколо будь-якої осі, переміщення з одного місця в інше, відображення в дзеркалі тощо). Якщо двомірну решітку на рис. 2 піддати переміщенню, що задається вектором a, то ми знову отримаємо вихідні ґрати; те ж справедливо, зрозуміло, і по відношенню до переміщення, що задається вектором b. Взагалі кажучи, грати з елементарним осередком, заданим трьома векторами a, b, c, інваріантна щодо всіх операцій трансляції (перенесення), що визначаються рівністю T= n 1 a+ n 2 b= n 3 c, де n 1 , n 2 , n 3 – цілі числа. Сукупність всіх таких операцій називається трансляційною групою цієї решітки.

Існують і інші операції симетрії для просторових ґрат, а саме ті, при яких дана точка залишається фіксованою (нерухомою). Подібні операції називаються точковими і включають обертання навколо осей, що проходять через цю точку, а також дзеркальні відображення в площинах, що проходять цю точку. У разі двомірної ґрати, зображеної на рис. 2, можна уявити собі, наприклад, вісь, що проходить через якусь точку решітки перпендикулярно площині малюнка. Поворот навколо цієї осі на 180 ° не змінює решітку. Прийнято говорити, що така вісь має симетрію 2-го порядку. У загальному випадку тіло має віссю симетрії n-го порядку, якщо поворот тіла на кут (360 ° / n) Залишає тіло незмінним. Наприклад, кожна просторова діагональ куба є для нього віссю симетрії 3-го порядку, а вісь, проведена через центр куба перпендикулярно до будь-якої пари його граней, є віссю симетрії 4-го порядку. Повний набір операцій симетрії, можливих за умови нерухомості цієї точки і залишають тіло незмінним, називається точковою групою цього тіла. Для просторових ґрат або кристала точкова симетрія обмежена вимогою виконання також трансляційної симетрії. Це скорочує число можливих осей обертання до чотирьох, що володіють відповідно симетрією 2-, 3-, 4- та 6-го порядків. Рисунок 3 пояснює, чому, наприклад, грати не можуть мати віссю симетрії 5-го порядку: площину не можна покрити п'ятикутниками.

Існує лише сім різних точкових груп для просторових ґрат; ними визначаються сім кристалічних систем, чи сингоній. Кожна сингонія то, можливо охарактеризована виглядом елементарного осередку, тобто. кутами a, b, gміж осями a, b, cта співвідношенням довжин цих осей. Класифікація відповідних типів елементарних осередків та найменування відповідних кристалічних сингоній наведені нижче; позначення ребер та кутів осередків відповідають рис. 4.

Повна група симетрії, або просторова група кристала, є сукупністю всіх операцій симетрії (точкових операцій, трансляцій, а також їх усіляких комбінацій), стосовно яких грати інваріантні. Існує 14 різних просторових груп, якими може мати грати; їм відповідають 14 різних просторових ґрат (рис. 5). Вперше ці грати були описані Браве в 1848 році на основі ретельного геометричного аналізу і носять його ім'я. (Кожен ґрат Браве належить до однієї із семи кристалічних сингоній.)

Переходячи від формального теоретичного опису симетрії ґрат до опису реального кристала, необхідно враховувати також симетрію атомів або атомних груп, що поміщаються в кожен вузол ґрат. Тоді виявляється, що для кристалів існує загалом 230 різних просторових груп (як і раніше, при 14 різних типах ґрат Браве). Ці групи були отримані та описані на основі теорії груп Є.С.Федоровим та С.Шенфлісом у 1891.

Цікавий розвиток теорія симетрії кристалів отримала стосовно магнітних кристалів. У магнітно-упорядкованому стані періодичність визначається як становищем атомів, а й напрямом їх магнітних моментів. Тому кількість магнітних просторових груп має бути набагато більшою за 230. Повна кількістьмагнітних просторових груп симетрії дорівнює 1651. Для опису симетрії макроскопічних властивостей кристала виділяють певні сукупності перетворень симетрії, що становлять так званий магнітний кристалічний клас кристала. Усього існує 122 таких класи.

Кристалічна структура та дифракція.

Експериментальне дослідження розташування атомів у кристалах стало можливим лише після відкриття Рентгеном у 1895 рентгенівського випромінювання. Щоб перевірити, чи це випромінювання є справді одним з видів електромагнітного випромінювання, Лауе в 1912 порадив Фрідріху і Кніппінгу пропустити рентгенівський пучок через кристал і подивитися, чи виникне дифракційна картина. Досвід дав позитивний результат.

На основі явища дифракції рентгенівського випромінювання батько та син Бреггі створили надзвичайно цінний експериментальний метод рентгеноструктурного аналізу кристалів. Їхні роботи знаменують собою початок сучасної фізики твердого тіла. Відповідне дуже складне автоматизоване обладнання тепер стало звичайним у лабораторіях з фізики твердого тіла. Завдяки таким рентгенівським установкам та комп'ютерам визначення розташування атомів навіть у складному кристалі стало майже рутинною справою. У 1914 році Лауе був удостоєний за свої досягнення Нобелівської премії; батько і син Бреггі розділили таку ж нагороду роком пізніше.

Потужність рентгеноструктурного аналізу заснована на його високій вибірковості. Наприклад, якщо монохроматичний пучок рентгенівського випромінювання падає в довільному напрямку на монокристал, можна спостерігати пучок, що виходить (але не дифрагований) в тому ж напрямку. Дифраговані пучки виникають лише за кількох строго певних (дискретних) кутах падіння щодо кристалографічних осей. Ця умова лежить в основі методу обертання кристала, в якому допускається обертання монокристалу щодо певної осі, причому точно визначаються напрямки, для яких спостерігається дифракція. В інших експериментах можуть використовуватися порошкоподібні кристалічні зразки та монохроматичний пучок; – такий метод називається Дебая – Шеррера. У цьому випадку є безперервний спектр орієнтацій окремих кристалітів, але досить інтенсивні дифраговані пучки дають лише кристаліти з певною орієнтацією. Порошковий метод не вимагає вирощування великих монокристалів, у чому полягає його перевага перед методами Лауе і обертання кристала. У методі Лауе використовуються монокристал і пучок рентгенівського випромінювання, що має безперервний спектр, так що кристал як би сам вибирає відповідні довжини хвиль для утворення дифракційних картин (рис. 7).

Якого роду інформацію про структуру кристала може дати рентгеноструктурний аналіз? Рентгенівське випромінювання – це електромагнітні хвилі, електричні поля яких взаємодіють із зарядженими частинками, саме з електронами та атомами твердого тіла. Оскільки маса електронів значно менша від маси ядра, рентгенівське випромінювання ефективно розсіюється тільки електронами. Таким чином, рентгенограма надає інформацію про розподіл електронів. Знаючи напрямки, у яких дифрагувало випромінювання, можна визначити тип симетрії кристала або кристалічний клас (кубічний, тетрагональний тощо), а також довжини сторін елементарного осередку. За відносною інтенсивністю дифракційних максимумів можна визначити положення атомів елементарному осередку. Фактично дифракційна картина є математично перетворену картину розподілу електронів у кристалі – її званий фурье-образ. Отже, вона несе інформацію про структуру хімічних зв'язків між атомами. Наприклад, по рентгенограмі можна судити, чи справді кухонна сіль (NaCl) складена з позитивних та негативних іонів, а також про те, де знаходяться електрони у такій речовині, як германій. Нарешті, розподіл інтенсивності в одному дифракційному максимумі дає інформацію про розмір кристалітів, а також про недосконалості (дефекти) решітки, механічні напруги та інші особливості кристалічної структури.

Хоча рентгеноструктурний аналіз є найстарішим методом вивчення твердих тіл на атомному рівні, він продовжує розвиватися та вдосконалюватися. Одне з таких удосконалень полягає у застосуванні електронних прискорювачів як потужні джерела рентгенівського випромінювання – синхротронного випромінювання. Синхротрон – це прискорювач, який зазвичай використовується у ядерній фізиці для розгону електронів до дуже високих енергій. Електрони створюють електромагнітне випромінюванняу діапазоні від ультрафіолетового до рентгенівського випромінювання. У поєднанні з нещодавно розробленими твердотілими детекторами частинок ці нові джерела зможуть, як очікується, дати багато нової детальної інформації про тверді тіла.

Нейтрони були відкриті в 1932. Через чотири роки їх хвильова природа була підтверджена дифракційними експериментами. Використання нейтронів як засіб дослідження твердих тіл стало можливим після створення ядерних реакторів, в яких, починаючи приблизно з 1950, створювалися щільності потоку нейтронів порядку 10 12 нейтрон/см 2 Ч с. Сучасні реактори забезпечують потоки, що у тисячі разів більш інтенсивні.

Нейтрони, будучи нейтральними частинками, взаємодіють лише з ядрами твердого тіла (принаймні у немагнітних матеріалах). Це властивість істотно з низки причин. Оскільки ядра надзвичайно малі в порівнянні з розмірами атома, а взаємодія між ядрами і нейтронами, що падають, є короткодіючим, нейтронний пучок має велику проникаючу здатність і може бути використаний для дослідження кристалів товщиною до декількох сантиметрів. Крім того, нейтрони інтенсивно розсіюються ядрами як важких, і легких елементів. На противагу цьому рентгенівське випромінювання розсіюється електронами, тому йому розсіююча здатність атомів збільшується зі зростанням числа електронів, тобто. Атомний номер елемента. Отже, положення атомів легких елементів кристалі можна набагато точніше визначати методом нейтронної, а чи не рентгенівської дифракції. Це особливо відноситься до ядер атомів водню, або, що еквівалентно іонів водню, - протонів. Протони можуть бути виявлені методом дифракції нейтронів, але не рентгенівського випромінювання, оскільки вони містять електронів. Ця властивість нейтронів набуває особливого значення щодо речовин, які мають водневими зв'язками. Подібні зв'язки виникають не тільки в неорганічних речовин, а й, зокрема, у біологічних матеріалах (наприклад, молекулах ДНК).

Нейтронні пучки відіграють важливу роль щодо твердих тіл, оскільки нейтрони і ядра атомів мають порівнянну масу. Тому за нейтронної бомбардуванні твердого тіла нейтрони можуть збуджувати (і поглинати) решіткові хвилі, тобто. пружні хвилі, що розповсюджуються в системі ядер кристала. (Звукова хвиля теж є решітковою.) У таких непружних зіткненнях нейтрон втрачає (або здобуває) енергію та імпульс. Зміни цих величин можна виміряти; вони дають багато детальної інформації про динамічні властивості твердих тіл. Таким чином, експерименти з розсіювання нейтронів є дуже важливими для дослідження коливань атомів у твердих тілах. Нарешті, дифракція нейтронів відіграє у вивчення магнітних матеріалів. Хоча у нейтронів немає електричного заряду, вони мають дипольний магнітний момент, подібний до стрілки компаса. Тому нейтрон здатний «бачити» магнітний атом у тому сенсі, що він взаємодіє із сумарним магнітним моментом усіх електронів в атомі. Пучок нейтронів, спрямований на магнітний кристал, розсіюється ядрами, і навіть «магнітними» електронами. Ці два види розсіювання дають інформацію про кристалічну та магнітну структуру. Подібні експерименти дозволили виявити існування у твердих тілах магнітно-упорядкованих структур – від звичайної паралельної орієнтації магнітних моментів у феромагнетиці (наприклад, у залозі) до складних гелікоїдальних структур у рідкісноземельних металах та їх сполуках.

Хімічні зв'язки та фізичні властивості.

Вільний атом складається з позитивно зарядженого ядра і деякої кількості негативно заряджених електронів, що рухаються навколо нього за своїми орбітами. Відповідно до законів квантової механіки електрони в атомі розподілені по оболонках, схематично зображеним на рис. 8 для атома натрію. Два найближчих до ядра електрона утворюють K-оболонку, наступні вісім електронів - L-оболонку, а єдиний зовнішній електрон – М-оболонку. Електронна хмара простягається від ядра на відстані, що вимірюються ангстремами (1 Å = 10 -10 м), воно визначає ефективний розмір атома, який, взагалі кажучи, не має різкої межі. Електрони внутрішніх оболонок сильно пов'язані та добре локалізовані в кулонівському (електричному) полі ядра. Електрони ж зовнішньої оболонки пов'язані слабше, оскільки кулонівське поле ядра, що діє на них, частково екрановане (ослаблене) внутрішніми електронами. Коли вільні атоми зближуються і утворюють тверде тіло (кристал), зовнішні (валентні) електрони виявляються значно сприйнятливішими до впливу сусідніх атомів, ніж внутрішні (електрони остова). Хвильові функції (орбіталі) електронів остова у твердому тілі майже такі самі, як і у вільного атома. Орбіталі ж валентних електронів атомів твердого тіла перебудовуються таким чином, щоб його повна енергія була меншою за суму енергій окремих атомів, ніж і забезпечується необхідна енергія зв'язку твердого тіла. Таким чином, тверде тіло можна розглядати як що складається з великої кількості жорстких іонних кістяків (ядер з електронами внутрішніх оболонок) і єдиної системи валентних електронів.

Таким чином, втрата індивідуальності атомами, що становлять тверде тіло, зводиться лише до колективізації валентних електронів. Залежно від того, як розподілені валентні електрони між іонними кістяками та в проміжках між ними, розрізняють чотири основні типи хімічного зв'язку: ван-дер-ваальсова, іонна, металева та ковалентна. Характером зв'язку значною мірою визначаються фізичні властивості твердого тіла. Хоча для кожного з описаних нижче типів зв'язків є свої «типові представники» серед реальних речовин, більшість твердих тіл потрапляє до тієї чи іншої проміжної категорії.

Ван-дер-ваальсівські кристали.

Найпростіші з відомих твердих тіл - кристали інертних газів неону, аргону, криптону та ксенону. p align="justify"> Електронна структура вільних атомів цих газів має конфігурацію так званих замкнутих оболонок, що відрізняється винятковою стійкістю. Наприклад, неон має заповнену До-оболонку з двох електронів та заповнену L-оболонку з восьми електронів; ця конфігурація відповідає максимальному числу електронів у кожній оболонці, дозволеному правилами квантової механіки. На стійкість зміни електронів у кристалах інертних газів вказують високі значення енергії іонізації, необхідної видалення однієї з зовнішніх електронів. Така стійкість означає, що атоми інертних газів не мають валентних електронів у звичайному сенсі цього слова. Дійсно, навіть зовнішні електрони можуть розглядатися як електрони кістяка, сильно пов'язані з ядром. Тому електронна структура атомів у твердому тілі залишається практично такою самою, як і у вільних атомів. Оскільки сумарний електричний заряд атомів дорівнює нулю і всі електрони пов'язані з відповідними ядрами, виникає питання, яким чином ці атоми взагалі зв'язуються в тверде тіло? Справа в тому, що між нейтральними атомами існують слабкі сили тяжіння, зумовлені взаємодією електричних диполів, що індукуються сусідніми атомами завдяки синхронізації руху своїх електронів. Ці слабкі й дуже чутливі до різних чинників сили називаються силами Ван-дер-Ваальса; ними і зумовлений зв'язок між атомами та молекулами в більшості органічних кристалів. Оскільки тяжіння між атомами слабке, кристали інертних газів характеризуються малою енергією зв'язку (тобто енергією, необхідною видалення атома з твердого тіла), і навіть низькою температурою плавлення. Нижче наведено чисельні значення цих величин для інертних газів у твердому стані.

Обмежений інтервал температур, у якому існують ці тверді тіла, позбавляє їх практичного інтересу. Однак вони відіграють важливу роль у фундаментальних дослідженнях з теорії утворення кристалів, динаміці атомів у твердому тілі, рухливості електронів, інжектованих у діелектрики тощо. Оскільки атоми інертних газів мають форму, близьку до сферичної, сили Ван-дер-Ваальса між ними ізотропні (тобто однакові в усіх напрямках). Тому не дивно, що атоми інертних газів кристалізуються до структури, що відповідає найщільнішій упаковці сфер, а саме до гранецентрованої кубічної структури. Відстань між сусідніми атомами збільшується зі збільшенням атомів, тобто. зі збільшенням числа електронів у них; для представлених вище елементів воно становить 3,13, 3,76, 4,01 та 4,35Å.

Кристали інертних газів виявляються добрими діелектриками. Це можна пояснити тим, що це електрони в атомах пов'язані зі своїми ядрами. Фізичні властивості таких твердих тіл багато в чому визначаються властивостями та електронною структурою атомів, із яких вони побудовані.

Іонні кристали.

Ідеальний іонний кристал складається з позитивно та негативно заряджених сферичних іонів. Цьому уявленню найбільше відповідають якщо все, то по крайнього заходу деякі лужно-галоїдні сполуки, тобто. солі, що утворюються одним із лужних металів (літій, натрій, калій, рубідій, цезій) та одним з галогенів (фтор, хлор, бром, йод). Є докази, що кристали цих солей справді утворені позитивними іонами металів і негативно зарядженими іонами галогенів. Найпряміший з них – дані рентгеноструктурного аналізу, на основі яких розраховується розподіл електронного заряду ( див.Рис. 9 для випадку NaCl).

Те, що такі тверді тіла складаються з іонів, а не атомів, можна пояснити таким чином. Насамперед усі атоми лужних металів мають один зовнішній валентний електрон, тоді як зовнішня оболонка атомів галогенів містить сім валентних електронів. При переході валентного електрона від атома лужного металу до атома галогену утворюються два іони, кожен з яких має стійку електронну конфігурацію, характерну для атомів інертних газів. Ще важливішим є виграш в енергії, зумовлений кулонівським тяжінням між позитивними та негативними іонами. Розглянемо як приклад хлорид натрію (NaCl). Щоб відірвати зовнішній (валентний) електрон від атома Na, потрібно витратити 5,14 еВ (енергію іонізації). Коли цей електрон приєднується до атома Cl, виходить виграш енергії, що дорівнює 3,61 еВ (енергія спорідненості до електрона). Отже, енергія, необхідна переходу валентного електрона від Na до Cl, дорівнює (5,14 - 3,61) эВ = 1,53 эВ. Кулонівська ж енергія тяжіння між двома іонами Na + і Cl - при відстані між ними (в кристалі), що дорівнює 2,18 Å, становить 5,1 еВ. Ця величина з надлишком компенсує повну енергію переходу електрона і призводить до зниження повної енергії системи іонів проти аналогічної системою вільних атомів. У цьому основна причина того, що лужно-галоїдні сполуки складаються саме з іонів, а не атомів.

Обчислення енергії іонних кристалів насправді складніше, ніж це може здатися з проведених вище міркувань. Але принаймні для лужно-галоїдних кристалів спостерігається гарна згода між теоретичним та експериментальним значеннями енергії зв'язку. Іонні зв'язки досить сильні, що вказує, наприклад, висока температура плавлення, що дорівнює 1074 K для NaCl.

Завдяки високому ступеню стійкості електронної структури іонні кристали потрапляють до розряду діелектриків. Оскільки позитивні та негативні іони взаємодіють з електромагнітними хвилями, іонні кристали виявляють сильне оптичне поглинання в області інфрачервоної спектра. (Частота осцилюючого зовнішнього електричного поля в цій області спектру близька до власної частоти поперечних гратових хвиль, в яких позитивні та негативні іони кристала рухаються у зустрічних напрямках.) У видимій області спектра частоти коливань занадто великі, для того щоб масивні іони встигали реагувати на вплив хвиль. Тому світлові хвилі проходять через кристал без взаємодії, тобто. такі кристали прозорі. При ще більш високих частотах – в ультрафіолетовій області спектру – кванти поля можуть мати достатню енергію для збудження валентних електронів, що забезпечує перехід валентних електронів негативних іонів у незайняті стани позитивних іонів. Це призводить до сильного оптичного поглинання.

Ковалентні кристали.

Найбільш відомі ковалентні кристали – це алмаз, кремній та германій. Кожен атом у таких кристалах оточений чотирма сусідніми атомами, розташованими у вершинах правильного тетраедра. Вільні атоми кожного із зазначених елементів мають по чотири валентні електрони, а цього достатньо для утворення чотирьох парних електронних зв'язків (між даним атомом і чотирма його найближчими сусідами). Таким чином, два електрони колективізуються двома атомами, що утворюють зв'язок, і розташовуються у просторі вздовж лінії, що з'єднує атоми. Це майже такий зв'язок, як і між двома атомами водню в молекулі водню H 2 . В алмазі ці зв'язки дуже сильні, і оскільки вони мають строго певний напрямок щодо один одного, алмаз є надзвичайно твердим матеріалом. Силу ковалентного зв'язку електрона з кристалом характеризує так звана енергетична щілина – мінімальна енергія, яку необхідно передати електрону, щоб він міг вільно рухатися в кристалі та створювати електричний струм. Для алмазу, кремнію та германію ширина цієї щілини становить 5,4, 1,17 та 0,744 еВ відповідно. Тому алмаз є добрим діелектриком; енергія теплових коливань у ньому за кімнатної температури занадто мала, щоб звільнити валентні електрони. У кремнії ж і особливо в Німеччині завдяки порівняно малій ширині енергетичної щілини можливе теплове збудження певної кількості валентних електронів при кімнатній температурі. Таким чином, вони проводять струм, але оскільки їх провідність значно менша, ніж у металів, кремній та германій відносяться до напівпровідників.

Метали.

Як згадувалося вище, валентні електрони у ковалентних твердих тілах колективізовані сусідніми атомами та локалізовані вздовж ліній, що з'єднують ці атоми. У металах колективізація електронів досягає максимуму - всі валентні електрони колективізуються всіма іонними остовами. Ідеальний метал можна розглядати як що складається з періодично розташованих іонних кістяків, які занурені в газ електронів провідності, що вільно рухаються між іонними кістяками. Стабільність металу та величина його енергії зв'язку визначаються кулонівськими силами тяжіння між позитивними іонними остовами та негативно зарядженим електронним газом. Рухливі електрони провідності відповідальні за високу електро- та теплопровідність металів.

Така модель металу з вільними електронами найкраще підходить для лужних металів та менш придатна для благородних металів – міді, срібла та золота. У лужних металах іонні кістяки займають лише малу частку повного обсягу (близько 15%), тоді як у сріблі та золоті сусідні іонні кістяки мало не стикаються один з одним.

Відмінність між чотирма типами твердих тіл пояснюється схемами, представленими на рис. 10. Атоми та іонні кістяки з сильно пов'язаними електронами в конфігураціях із замкнутими оболонками показані світлими кружками. Просторовий розподіл валентних електронів показано лише для ковалентних кристалів та металів.

Більшість твердих речовин займає проміжне положення між чотирма «чистими» типами зв'язку. Наприклад, існує безперервний ряд твердих тіл між чисто іонними та чисто ковалентними кристалами. Тому у застосуванні до таких непровідних електричний струм матеріалів говорять про частково іонний або частково ковалентний характер зв'язків. Дж. Філліпс запропонував особливо успішний напівемпіричний підхід до опису існуючих закономірностей у різних групах сполук на основі їх діелектричних властивостей та ширини енергетичних щілин.

Цікаво порівняти ступеня іонності зв'язку в схемі Філіпса для сполук, складених з елементів різних (або однієї і тієї ж) груп періодичної системи: I і VII, II і VI, III і V, IV-IV, а також для елементів IV групи. Для деяких з'єднань ця характеристика має такі значення:

Тут видно поступовий перехід від майже повністю іонної сполуки NaCl до чисто ковалентного кристалу кремнію.

Кристали із водневими зв'язками.

Розглянута вище класифікація кристалів полягає в зв'язках, створюваних електронами. Інший тип хімічного зв'язку виникає завдяки іона водню (протонів). Протон - це особливий вид іона: у нього взагалі відсутні електрони, а тому він має дуже малі розміри. «Голий» протон здатний пов'язувати один з одним два негативні іони, зокрема негативні іони фтору, кисню та азоту. Наприклад, іон дифториду водню HF 2 - , що володіє лінійною структурою F - H + F - , зобов'язаний своєю стійкістю до наявності протона, що зв'язує два негативні іони фтору. Водневі зв'язки відіграють важливу роль у молекулярній біології (насамперед у генетиці), оскільки вони беруть участь у утриманні двох ланцюгів подвійної спіральної структури молекул ДНК. Ці зв'язки істотні також у фізиці сегнетоелектриків (наприклад, дигідрофосфату калію KH 2 PO 4) і значною мірою відповідальні за дивовижні фізичні властивості води та льоду.

ВИРОЩУВАННЯ КРИСТАЛІВ

Для вивчення властивостей тих чи інших кристалів необхідно готувати (вирощувати) хороші зразки – часто у формі монокристалів найвищого, наскільки можливо, ступеня досконалості та хімічної чистоти. Для вивчення впливу різних фізичних або хімічних недосконалостей на властивості твердих тіл такі недосконалості (дефекти) потрібно тим чи іншим способом контрольовано вводити в тверде тіло. При цьому як вихідні необхідно використовувати матеріали високої хімічної чистоти. Крім звичайних хімічних методів очищення, багато металів і напівпровідників може бути очищено методом зонної плавки.

Кристали можна вирощувати, повільно випаровуючи розчинник із розчину, охолоджуючи розплав або конденсуючи пари. Кристали вирощуються з розплаву методом Бріджмена чи Чохральського. При використанні методу Чохральського невеликий кристал-затравка, укріплений на вертикальному дроті або стрижні, занурюється в розплав і потім виводиться повільно з нього. При відповідному контролі за температурою та швидкістю витягування із затравального кристала може зрости великий монокристал. За методом Бріджмена розплав знаходиться у вертикально закріпленому тиглі з гострим дном. При повільному опусканні тигля з гарячої зони печі більш холодну на його гострому дні утворюється кристал-зародок, який в ході подальшого опускання тигля може зрости у великий монокристал.

Метод молекулярної епітаксії (ММЕ) дозволяє послідовно шар за шаром нарощувати напівпровідникові чіпи на відповідній кристалічній підкладці. У кожному шарі (товщина якого може не перевищувати діаметр одного атома) точно повторюється кристалічна структура підкладки.

Нагріваючи іонний кристал у парах його металевого компонента або будь-якого іншого металу, можна ввести надлишок цього металу. У багатьох випадках такі леговані кристали виявляють нові цікаві властивості, які зумовлені саме цими впровадженими на атомному рівні металевими компонентами. Наприклад, при нагріванні натрію хлориду в парах натрію кристал з прозорого стає жовто-коричневим; у разі кажуть, що у кристалі з'явилися центри фарбування. У ряді випадків атоми металу, введені в кристал при нагріванні в металевих парах, можуть коагулювати в невеликі металеві кристали, впроваджені у вихідний іонний кристал.

Електронна мікроскопія високої роздільної здатності.

У звичайному оптичному або світловому мікроскопі межа роздільної здатності визначається відносно великим значенням довжини хвилі видимого світла. Це означає, що не можуть спостерігатися деталі довжиною менше 5000 Å. В електронному мікроскопі замість світла використовується пучок електронів із довжиною хвилі близько 0,04 Å, що значно менше навіть діаметра атома. Перший практично застосовний електронний мікроскоп було створено Э.Руской (Берлін, 1933). З того часу вчені прагнули отримати зображення окремого атома, і зрештою електронна мікроскопія стала надійним, добре апробованим методом дослідження. З її допомогою вдалося отримати багато відомостей з галузі біології (будова бактерій, вірусів), а також дані про структуру кристалів. Технічне вдосконалення електронної мікроскопії дозволило досягти дозволу порядку кількох ангстрем. Це дозволяє отримувати безпосередньо інтерпретовані зображення розподілу атомів металу всередині елементарного осередку твердого тіла. Деякі цікаві дослідження проводилися, наприклад, в університеті прим. Арізона. Коли один із оксидів ніобію ( хімічна формула Nb 22 O 54) нагрівається в атмосфері газоподібного водню, утворюється речовина з хімічним складом Nb 12 O 29 , яке вбудовується у вихідний матеріал. Це можна побачити в електронному мікроскопі високої роздільної здатності. Вихідний оксид Nb 22 O 54 характеризується правильним чергуванням рядів із блоків 3ґ 3 та 3ґ 4, що складаються з октаедрів, у центрі яких розташований атом ніобію, а у вершинах – шість атомів кисню. На рис. 11 показано, яким чином порушується вихідний порядок чергування в місцях, зазначених на малюнку стрілками, де один за одним йдуть два однакові ряди (з блоків 3 4). Такі двовимірні дефектні шари (звані дефектами Уодслі) проходять по всьому кристалу перпендикулярно до площини малюнка. Цей приклад показує, що електронна мікроскопія – потужний метод дослідження у фізиці твердого тіла.

Пряме зображення поверхневих атомів.

Для дослідників, які цікавляться об'ємними властивостями твердих тіл, поверхня зразка є головним чином перешкодою. Однак поверхня кристала відіграє важливу роль у багатьох фізичних та хімічних явищах, суттєвих, наприклад для роботи різних напівпровідникових та мікроелектронних пристроїв, а також у хімічній корозії та гетерогенному каталізі.

При дослідженні властивостей поверхні твердого тіла першорядне значення має надійна інформація про розташування атомів у зовнішньому шарі атома кристала. Істотний прогрес у цій галузі було досягнуто завдяки застосуванню техніки надвисокого вакууму, дифракції електронів низьких енергій та експериментів з розсіювання атомів чи іонів. У дослідженнях поверхні твердого тіла успішно застосовується автоіонний проектор, створений у 1955 р. Е.Мюллером в університеті шт. Пенсільванія. Цей пристрій дозволив, наприклад, отримати пряме зображення окремих атомних позицій.

Металеві стекла.

Цікавим розвитком фізики твердого тіла стало відкриття нового типу матеріалів, названих металевим склом. У розташуванні атомів склоподібних речовин виявляється (як і рідинах) деякий ближній порядок, але характерний для кристала далекий порядок у ньому відсутня. Метали зазвичай швидко кристалізуються при охолодженні рідкого стану. В даний час можна проводити дуже швидке охолодження (зі швидкістю до 105 - 106 кельвінів в 1 с), яке дає склоподібний метал з безладним розташуванням атомів. Таке металеве скло цікаве своїми незвичайними, а іноді й унікальними фізичними властивостями. Зокрема, вони дуже жорсткі, міцні і пластичні, тобто. на відміну від силікатного скла не крихкі. Вони добре проводять електрику; їх провідність можна порівняти з провідністю зазвичай використовуваних в електротехніці сплавів; тому металеве скло – хороший матеріал для резисторів, термометрів опору, низькотемпературних нагрівальних елементів тощо. Багато уваги приділялося магнітним властивостям металевого скла. Виявилося, що феромагнітне скло може намагнічуватися і розмагнічуватися дуже слабкими зовнішніми магнітними полями. Завдяки цьому і механічній міцності магнітне скло придатне для використання в трансформаторах, магнітних підсилювачах, а також звукозаписних головках.

Цей метод дослідження заснований на фотоелектричному ефекті – речовина поглинає рентгенівське випромінювання та випромінює електрони. Рентгенівське випромінювання є електромагнітними хвилями високої частоти. Відповідно до квантової теорії, вони можуть поглинатися в речовині лише певними порціями – так званими квантами, або фотонами. У фотоелектричному процесі енергія фотона повністю передається електрону. Частина цієї енергії (так звана робота виходу) витрачається на виривання електрона із твердого тіла, а решта переходить у кінетичну енергію випущеного електрона. При методі РФЕС реєструється розподіл кінетичної енергії електронів, що випускаються. По ньому розраховується діапазон енергій зв'язку електронів у жорсткому тілі - одна з найважливіших параметрів матеріалу.

Література:

Холден А. Що таке ФТТ? Основи сучасної фізики твердого тіла. М., 1971
Шаскольська М.П. Кристали. М., 1978
Гегузін Я.Є. Живий кристал. М., 1981
Чернов А.А. Фізика кристалізації. М., 1983
Каганов М.І., Ліфшиц Є.М. Квазичастинки. Ідеї ​​та принципи квантової фізики твердого тіла. М., 1989

Вправа 1

Філео (грец.) означає "люблю", фобос - "боюся". Дайте пояснення термінів «хемофілія» та «хемофобія», що відбивають різко протилежне ставлення груп людей до хімії. Хто з них має рацію? Обґрунтуйте свою точку зору.

«Хемофілія»- Інтерес, схильність до хімії. Також люди захоплені наукою хімією, цікавляться нею, які вважають, що сучасний світ неможливий без розробок нових хімічних речовин, і які позитивно ставляться до виробництва хімічних речовин необхідні промисловості, сільському господарстві, космічної промисловості, харчової промисловості, у побуті тощо.
«Хемофобія»- неприйняття хімії та всього хімічного, протиставлення «хімічного» та «натурального». (Наприклад, при вирощуванні рослин у їжу.) Також люди, які негативно ставляться, до хімії наводять, наприклад, забруднення довкілляґрунту, води, повітря. Це веде до підвищення захворюваності людей та тварин, що живуть поруч із хімічними виробництвами.
Права і «хемофіли» і «хемофоби» - без хімії неможливе існування сучасного світу, але створення безвідходних виробництв, що не отруюють навколишню природу, створення виробництв з вторинної переробки різних пластикових та інших відходів абсолютно необхідне. Хімія – це наука, а користь чи шкода вона приносить людям залежить від самих людей.

Вправа: 5

Порівняйте поняття «проста речовина» та «складна речовина». Знайдіть схожість та відмінність.

Загальне у простих та складних речовин, що вони складаються з молекул і атомів.
Різне:прості складаються з атомів одного хімічного елемента, а складні – з атомів різних хімічних елементів.

Вправа: 6

Визначте, які речовини, моделі молекул яких зображені на рисунку 6, відносять: а) до простих речовин; б) до складних речовин.

Прості речовини:кисень, сірка, гелій, озон.
Складні речовини:етиловий спирт, метан, вуглекислий газ, чадний газ.

Вправа: 8

Вкажіть, де про кисень йдеться як про хімічний елемент, а де – як про просту речовину:
в) у повітрі міститься 20% кисню (за обсягом);
г) кисень входить до складу вуглекислого газу.

Про хімічний елемент:
б) молекули води складаються з двох атомів водню та одного атома кисню;
г) кисень входить до складу вуглекислого газу.
Про просту речовину:
а) кисень мало розчинний у воді;
в) у повітрі міститься 20% кисню (за обсягом).

Вправа: 10

Розгляньте зв'язок між властивостями речовини та її застосуванням на прикладі: а) скла; б) поліетилену; в) цукру; г) заліза.

Скло: тверда, прозора речовина, при плавленні здатна приймати різну форму і зберігати її, не отруйно. На цих властивостях засноване застосування скла у виробництві шибок, посуду, в оптичних приладах.

Поліетилен: легка, пластична речовина, не отруйна, здатна витягуватися в тонкі плівки, при плавленні здатна набувати різної форми і зберігати її. На цих властивостях засноване застосування поліетилену у виробництві одноразового посуду, пакувального матеріалу, у виробництві труб.

Цукор: біла тверда речовина добре розчинна у воді не отруйна, без запаху, має солодкий смак. Його використовують у їжу, також застосовують у харчовій промисловості та медицині.

Залізо: сріблясто-білий блискучий метал, Тпл.= 15390С, пластичний, тому легко обробляється, кується, прокочується, штампується, тепло- та електропровідний. Залізо здатне намагнічуватися і розмагнічуватися, його застосовують як осердя електромагнітів у різних електричних машинах і апаратах. Залізо - це основа сучасної техніки та сільськогосподарського машинобудування, транспорту, засобів зв'язку усієї сучасної цивілізації. Від швейної голки до космічної техніки.

Часто твердими називають тіла, які зберігають свою форму та об'єм. Однак з фізичної точки зору за цими ознаками буває важко відрізнити твердий та рідкий стан речовини.

Особливим класом речовин, які по зовнішнім ознакамтакож можуть бути схожими на тверді тіла, є полімери.

Полімери (Від грецького polymeres – що складається з багатьох частин, від poly – багато і meros – частка, частина) – це сполуки з високою молекулярною масою, молекули яких складаються з великої кількості регулярно й нерегулярно повторюваних однакових чи різних ланок.

До природних полімерів належать натуральний каучук, целюлоза, білки, природні смоли. Прикладом синтетичних полімерів є полістирол, поліетилен, складні поліефіри.

Істинно ж тверді тіла – це кристали, однією з характерних особливостей яких є правильність їхнього зовнішнього вигляду.

Доводиться лише дивуватися досконалості форми сніжинок та захоплюватися їхньою красою.

Якщо насичений розчин гіпосульфіту – речовини, що використовується у фотографії для закріплення зображень, на кілька днів залишити у відкритій ванночці, то на її дні утворюються великі кристали, також досить правильної форми.

Правильну форму мають і кристали кухонної солі, цукру.

Природною формою кристалів є багатогранники з плоскими гранями та постійними для кожної речовини кутами між ними.

Форма кристалів різних речовин неоднакова. Але кристали однієї і тієї ж речовини можуть бути різного кольору. Наприклад, кристали кварцу бувають безбарвними, золотистими, рожевими, блідо-бузковими. Залежно від кольору їм дають різні назви. Кристали кварцу, наприклад, можуть називатися гірським кришталем, димчастим гірським кришталем, аметистом. З погляду ювеліра багато кристалів однієї й тієї ж речовини можуть відрізнятися принциповим чином. З погляду фізика різницю між ними взагалі може існувати, оскільки переважна кількість властивостей різнобарвних кристалів однієї й тієї ж речовини однаково.

Фізичні властивості кристала визначаються його кольором, а внутрішньою будовою. Дуже яскравою ілюстрацією цього твердження є відмінність багатьох властивостей алмазу і графіту, які мають однаковий хімічний склад.

Одиночні кристали називаються монокристалами . Деякі речовини, такі, наприклад, як гірський кришталь, можуть утворювати великі монокристали, іноді дуже правильної форми.

Особливістю багатьох монокристалів є анізотропія – відмінність фізичних властивостей у різних напрямках.

Анізотропія кристалів тісно пов'язана з їхньою симетрією. Що нижче симетрія кристала, то яскравіше виражена анізотропія.

Візьмемо дві пластинки, вирізані із кристала кварцу у різних площинах. Капнемо на пластинки віск і дамо йому застигнути, після чого доторкнемося до воскових плям, що утворилися, розпеченою голкою. За формою воску, що розплавився, можна зробити висновок про те, що пластинка, вирізана з кристала у вертикальній площині, має різну теплопровідність у різних напрямках.

Якщо з великого шматка льоду вирізати два однакові бруски у взаємно перпендикулярних напрямках, покласти їх на дві опори і навантажити, то бруски поводитимуться по-різному. Один брусок при збільшенні навантаження повільно прогинатиметься. Інший до деякого значення навантаження зберігатиме свою форму, а потім переламається.

Аналогічним чином можна говорити не тільки про анізотропію теплопровідності, міцності, але й інші теплові, механічні, а також електричні, оптичні властивості монокристалів.

Більшість твердих тіл має полікристалічну структуру тобто складається з безлічі хаотичним чином розташованих кристалів і анізотропією фізичних властивостей не має.

Твердими є кристалічні та аморфні тіла. Кристал - так у давнину називали лід. А потім стали називати кристалом кварц і вважаючи ці мінерали скам'янілим льодом. Кристали бувають природними і вони використовуються в ювелірній промисловості, оптиці, радіотехніці та електроніці, як опори для елементів у надточних приладах, як надтвердий абразивний матеріал.

Кристалічні тіла характеризуються твердістю, мають строго закономірне становище у просторі молекул, іонів чи атомів, у результаті утворюється тривимірна періодична кристалічна решітка (структура). Зовні це виражається певною симетрією форми твердого тіла та його певними фізичними властивостями. У зовнішній формі кристалічні тіла відбивають симетрію, властиву внутрішній "упаковці" частинок. Це визначає рівність кутів між гранями всіх кристалів, що складаються з однієї й тієї ж речовини.

Вони рівними будуть і відстані від центру до центру між сусідніми атомами (якщо вони розташовані на одній прямій, то ця відстань буде однаковою на всій протяжності лінії). Але для атомів, що лежать на прямій з іншим напрямком, відстань між центрами атомів буде вже іншою. Цією обставиною пояснюється анізотропія. Анізотропність – головне, чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних.

Більше 90% твердих тіл можна зарахувати до кристалів. У природі вони існують у вигляді монокристалів та полікристалів. Монокристали - поодинокі, грані яких представлені правильними багатокутниками; для них характерна наявність безперервних кристалічних ґрат і анізотропії фізичних властивостей.

Полікристали - тіла, що складаються з безлічі дрібних кристалів, "зрощених" між собою дещо хаотично. Полікристалами є метали, цукор, каміння, пісок. У таких тілах (наприклад, фрагмент металу) анізотропія зазвичай не проявляється через безладне розташування елементів, хоча окремо взятому кристалу цього тіла властива анізотропія.

Інші властивості кристалічних тіл: суворо певна температура (наявність критичних точок), міцність, пружність, електропровідність, магнітопровідність, теплопровідність.

Аморфні – не мають форми. Так буквально перекладається це слово з грецької. Аморфні тіла створені природою. Наприклад, бурштин, віск, До створення штучних аморфних тіл причетна людина - скло та смоли (штучні), парафін, пластмаси (полімери), каніфоль, нафталін, вар. не мають унаслідок хаотичного розташування молекул (атомів, іонів) у структурі тіла. Тому для будь-якого аморфного тіла ізотропні – однакові у всіх напрямках. Для аморфних тіл немає критичної точки температури плавлення, вони поступово розм'якшуються при нагріванні і переходять у в'язкі рідини. Аморфним тілам відведено проміжне (перехідне) становище між рідинами і кристалічними тілами: за низьких температур вони твердіють і стають пружними, крім того, можуть розколюватися при ударі на безформні шматки. При високих температурахці ж елементи виявляють пластичність, стаючи в'язкими рідинами.

Тепер знаєте, що таке кристалічні тіла!