§ 49. Аморфные тела

Определения и обозначения

Аморфное тело — твёрдое тело, частицы которого не образуют упорядоченной кристаллической решётки на больших расстояниях. Иными словами, расположение частиц не повторяется регулярно от области к области. Это определение помогает отличить строение материала от его внешнего вида: тело может быть твёрдым, но не кристаллическим.

Ближний порядок — упорядоченное расположение частиц только среди ближайших соседей. В кристалле порядок продолжается на большие расстояния, а в аморфном теле не складывается в общую периодическую структуру. Понятие нужно, чтобы не считать расположение частиц полностью хаотичным.

Изотропия — одинаковость физических свойств тела по разным направлениям. Например, измеренное свойство может иметь одно значение вдоль разных осей образца. Многие аморфные тела изотропны, поэтому этот признак помогает описывать их свойства, но сам по себе не заменяет сведений о строении.

Размягчение аморфного тела — постепенное уменьшение его жёсткости при нагревании в некотором интервале температур. В отличие от кристалла, аморфное тело обычно не плавится при одной определённой температуре. Это понятие объясняет, почему при нагревании стекло сначала сохраняет форму, а затем становится податливым.

Как это устроено

При охлаждении расплава частицы теряют энергию и движутся медленнее. Чтобы возник кристалл, им нужно успеть занять положения, образующие упорядоченную решётку. Если охлаждение не даёт им достаточно времени для такого перестроения, частицы сохраняют неупорядоченное расположение. Так формируется аморфное тело, хотя его частицы и остаются связанными друг с другом.

В аморфном теле ближайшие частицы влияют друг на друга и располагаются не произвольным образом. Их взаимодействие может создавать устойчивое локальное окружение — это и есть ближний порядок. Но соседние группы не выстраиваются в единую повторяющуюся последовательность на больших расстояниях. Поэтому ближний порядок совместим с отсутствием у аморфного тела кристаллической решётки.

Направление в кристалле может иметь значение: из-за упорядоченного строения некоторые его свойства различаются вдоль разных осей. У многих аморфных тел нет столь выраженных направлений, поскольку их частицы не образуют общей периодической структуры. В результате измерения одного и того же свойства в разных направлениях часто дают одинаковые значения. Такое поведение называют изотропией; оно характерно для многих, но не обязательно для всех аморфных материалов.

При нагревании частицы начинают двигаться интенсивнее, а их тепловые колебания возрастают. Из-за этого связи между частицами постепенно хуже удерживают прежнюю форму тела, и его жёсткость уменьшается. В аморфной структуре нет единой упорядоченной системы, которая должна разрушиться разом при одной температуре. Поэтому переход к текучему состоянию обычно растянут: тело размягчается в некотором интервале температур.

Стекло, смолы и некоторые полимеры служат примерами аморфных тел. Стекло может быть твёрдым и сохранять заданную форму, но это говорит о механической устойчивости, а не о наличии решётки. Кристаллическое строение устанавливают по упорядоченности частиц, а не по тому, кажется ли материал твёрдым. Поэтому внешний вид вещества нельзя использовать как единственный способ определить его тип.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Сначала сравните расположение частиц и наличие дальнего порядка: эти признаки описывают строение вещества. Затем сопоставьте свойства и поведение при нагревании, которые связаны с этим строением. Примеры помогают применить различия, но не заменяют анализа структуры.

Разбор задач

Кварц и стекло

Условие. Даны кусочки кварца и стекла. Нужно определить, какое тело кристаллическое, а какое аморфное, по характеру расположения частиц. Будем опираться не на твёрдость образцов, а на наличие или отсутствие дальнего порядка.

1. У кристаллического тела частицы упорядочены на больших расстояниях, образуя периодическую структуру.
2. Кварц относится к кристаллическим телам, поэтому в его строении есть дальний порядок.
3. Стекло не имеет общей периодической структуры; в нём может сохраняться только ближний порядок между соседними частицами.

Ответ. Кварц — кристаллическое тело, стекло — аморфное. Оба образца могут быть твёрдыми, но их строение различается по наличию дальнего порядка.

Нагревание стекла

Условие. Стекло сначала сохраняет форму, а затем становится мягким и податливым. Нужно объяснить, почему нельзя указать для него одну точную температуру плавления. Для решения важно отличить аморфное тело от кристалла по характеру перехода при нагревании.

1. Стекло является аморфным телом, а его частицы не образуют периодической решётки на больших расстояниях.
2. При нагревании тепловое движение частиц усиливается, и способность сохранять прежнюю форму постепенно уменьшается.
3. Изменение состояния не происходит скачком при одной температуре: стекло размягчается в некотором интервале температур.

Ответ. Для стекла нельзя указать одну точную температуру плавления, поскольку оно постепенно размягчается. Наблюдаемое изменение связано с постепенным ослаблением удерживающих его связей при нагревании.

Измерение свойства в разных направлениях

Условие. У образца аморфного материала измерили одно и то же физическое свойство вдоль трёх взаимно перпендикулярных направлений и получили совпадающие результаты. Нужно назвать подтверждаемое свойство и выяснить, связано ли оно с дальним порядком. Сравним направление измерения с определением изотропии.

1. Если измеряемое свойство одинаково в разных направлениях, материал проявляет изотропию.
2. Совпадение результатов вдоль трёх взаимно перпендикулярных направлений подтверждает одинаковость свойства по этим направлениям.
3. Изотропия описывает зависимость свойств от направления, а дальний порядок — упорядоченность частиц на больших расстояниях. Это разные характеристики строения и поведения тела.

Ответ. Результаты подтверждают изотропию образца. Она не означает наличия дальнего порядка и не доказывает его: для аморфного тела дальний порядок отсутствует.

Типичные ошибки

Считать любое твёрдое тело кристаллическим — ошибка: твёрдость показывает, что тело сохраняет форму, а не то, как упорядочены его частицы. Так думают, потому что кристаллы часто встречаются в виде твёрдых тел. Проверка проста: отдельно выясните, есть ли дальний порядок; стекло показывает, что твёрдость не доказывает кристаллическое строение.

Путать ближний порядок с дальним — значит считать, будто упорядоченные ближайшие соседи образуют решётку всего тела. Эту ошибку допускают, не различая размер области, на которой сохраняется порядок. Проверьте себя вопросом: повторяется ли расположение частиц на больших расстояниях? Если нет, ближний порядок не превращается в дальний.

Утверждать, что аморфное тело обязательно изотропно при любых условиях, слишком категорично. Изотропия типична для многих таких тел, но не служит безусловным правилом для каждого материала и каждого состояния. Ошибка возникает, когда типичную особенность принимают за обязательное определение. Проверяя ответ, формулируйте: «многие аморфные тела изотропны», а не «все аморфные тела всегда изотропны».

Приписывать аморфному телу точную температуру плавления — значит переносить на него поведение кристалла. Такое смешение возникает, когда размягчение принимают за резкий переход в одной точке. Уточните, что происходит при нагревании: если жёсткость постепенно уменьшается в интервале температур, речь идёт о размягчении. Для аморфных тел обычно нельзя назвать одну точную температуру плавления.

Связь с другими темами

Для изучения аморфных тел нужны представления о твёрдом состоянии вещества, его частицах и тепловом движении. Сравнение с кристаллической решёткой и свойствами кристаллов позволяет увидеть, как строение влияет на поведение материала. Эти знания пригодятся при изучении стекла, полимеров и свойств материалов, применяемых в быту и технике.

Что запомнить

• В аморфном теле нет дальнего порядка в расположении частиц.
• У аморфных тел может сохраняться ближний порядок.
• Многие аморфные тела изотропны.
• Аморфные тела обычно не имеют одной точной температуры плавления.
• При нагревании аморфное тело постепенно размягчается.
• Стекло — пример аморфного тела.