Тема 3. Твердий стан речовини

1. Властивості твердого тіла

1. Зовнішні ознаки	Це пояснюється
зберігає форму; зберігає об’єм.	внутрішньою будовою твердого тіла, а саме тим, що його молекули: щільно упаковані, а тому >>; здійснюють коливальний рух біля положень рівноваги; мають далекий порядок розміщення (розташування частинок у певному напрямі повторюється, хоча часто бувають відхилення).

2. Ізотропія та анізотропія

Ізотропія – незалежність фізичних (механічних, електричних, оптичних) властивостей речовини від напряму у кристалі. Пов’язана з хаотичним розміщенням монокристалів у кристалі.

Анізотропія – залежність фізичних властивостей речовини від напряму в кристалі.

Наприклад, кристал слюди розшаровується легко тільки в одному напрямі, графіт у різних напрямах має різну крихкість тощо.

3. Механічні властивості.

1. Деформація – це зміна форми або об’єму тіла внаслідок дії на нього зовнішніх факторів.

2. Пружність – властивості деформованих твердих тіл набувати початкових розмірів і форми після припинення дії зовнішніх сил.

3. Пластичність – властивість тіл зберігати деформацію після припинення дії зовнішніх сил.

4. Крихкість – властивість тіл руйнуватися під дією зовнішніх сил раніше за виникнення пластичних деформацій.

5. Міцність – здатність тіла протидіяти руйнуванню і залишковим деформаціям.

6. Твердість – властивість одного тіла залишати подряпини на поверхні іншого.

2. Класифікація твердих тіл і їх властивості

1. Кристалічні	Аморфні
Мають далекий порядоку розміщенні структурних частинок; постійні точки плавлення і кристалізації; при t < tпл – мають стійкий кристалічний стан Представники: всі метали, солі металів, графіт, алмаз, лід.	Мають близький порядоку розміщенні структурних частинок („застиглі” рідини); не мають точок плавлення і кристалізації; при збільшенні t поступово розм’якшуються і переходять у рідкий стан. Представники: смоли, пластмаси, янтар, скло, парафін, віск.

При певних умовах кристали можуть переходити в аморфний стан (наприклад, при швидкому охолодженні деяких металів), а аморфні речовини – у кристалічний (наприклад, кварц, скло, цукор при повільному охолодженні).

Візуальне розрізнення кристалічних і аморфних ті: на зламі:

1. аморфні тіла утворюють поверхню неправильної форми;

2. кристали мають плоскі грані або ступінчасту поверхню.

2. Монокристали (кристаліти)

Полікристали

Мають гладенькі плоскі поверхні, розміщені під певними кутами, часто – форму правильних многогранників, які складаються з елементарних комірок (подібно, як будинок будується з цеглин). У межах всього об’єму зберігається далекий порядок у розміщенні структурних частинок; як правило, дуже малих розмірів, хоча можуть досягати розмірів людини (наприклад, монокристали гірського кришталю; кварцу). Характерна анізотропія. Модель монокристала – кубики складені в один великий куб

Складаються з безлічі безладно орієнтованих монокристалів. Далекий порядок у розміщенні частинок не зберігається (близький – зберігається) внаслідок хаотичного розміщення монокристалів. Характерна ізотропія. Модель полікристала – куб, що розсипався на маленькі кубики

Застосування кристалів: радіотехніка, оптика, медицина, електроніка.

Наприклад:

1. Кристали рубіну використовують у квантових генераторах мікрохвильового діапазону – мазерах і оптичного діапазону – лазерах.

2. За допомогою кристалів сегнетової солі добувають ультразвукові коливання.

3. Майже всі напівпровідникові прилади є кристалами із спеціально введеними домішками, що надають їм певних властивостей.

4. Молекулярна електроніка, яка ґрунтується на створенні в монокристалі ділянок з різними властивостями під час його вирощування, поєднання яких дає багато вузлів електронних схем і навіть цілі схеми.

3. Рідкі кристали – особливий стан органічних речовин (> 3000). Рідкі кристали зберігають далекий порядок у розміщенні частинок, але тільки в одному напрямі, в двох інших – є тільки близький порядок („ниткоподібна структура”). Тому вони, подібно до аморфних тіл, мають подвійну природу:

1. проявляють текучість, як рідини;

2. мають ряд властивостей твердого тіла (що пов’язано з особливостями форми і зв’язку структурних частинок).

Структура рідких кристалів

Представники: багато речовин біологічного походження (мозок людини, ДНК), мило.

Кожен з рідких кристалів існує у певному інтервалі температур. При нижчих температурах вони переходять у кристалічний стан, при вищих – у рідину.

Властивості багатьох рідких кристалів різко змінюються при порівняно незначній зміні зовнішніх умов (температури, тиску, електричного і магнітного полів тощо). Це і визначає їх застосування:

1. цифрова індикація;

2. перетворення інфрачервоного зображення на видиме;

3. одержання плоских екранів моніторів;

4. термоіндикація;

5. біологія та медицина.

4. Кристалічна решітка – фізична модель монокристала, за допомогою якої зображують впорядковане розміщення його структурних частинок.

Точки, що визначають положення рівноваги частинок, біля яких вони коливаються, називають вузлами кристалічної решітки. Якщо їх подумки сполучити прямими лініями, то вийде свого роду „скелет” кристала.

У кристалічній решітці можна виявити найменше утворення, багаторазовим повторенням якого можна одержати монокристал, – елементарну комірку.

Основні типи комірок:

• кубічна(залізо, натрій, алюміній, мідь, діамант, кухонна сіль);

• гексагональна (цинк, графіт, лід);

• тетрагональна (мідний колчедан);

• ромбоедрична (телур, гранат);

• ромбічна (сірка, топаз); моноклінна (гіпс, слюда, нафталін);

• триклинна (польові шпати).

Кристал називають ідеальним, якщо його можна утворити простим паралельним перетворенням у просторі елементарної комірки. Реальні кристали завжди мають дефекти.