§ 9. Твёрдые тела

Определения и обозначения

Кристаллическое тело — твёрдое тело, в котором частицы расположены упорядоченно, причём порядок повторяется на больших расстояниях. В отличие от случайного расположения, такая структура имеет закономерное строение. Это понятие помогает объяснить свойства кристаллов и их различие в разных направлениях.

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором нет дальнего порядка в расположении частиц. Соседние частицы могут располагаться закономерно, но такая закономерность не повторяется на больших расстояниях. Понятие нужно, чтобы отличать, например, стекло от кристалла, не полагаясь на внешний вид.

Кристаллическая решётка — модель, которая показывает повторяющееся расположение частиц в кристалле. Её узлы обозначают положения частиц или небольших групп частиц, вокруг которых они колеблются. Решётка позволяет наглядно описывать внутренний порядок кристалла.

Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления, в котором их рассматривают или измеряют. Например, прочность кристалла в одном направлении может отличаться от прочности в другом. Это понятие связывает свойства материала с его внутренним строением.

Как это устроено

Частицы в твёрдом теле находятся близко друг к другу и взаимодействуют: одни положения для них устойчивее других. Тепловое движение не прекращается, поэтому частицы колеблются около таких положений. Но взаимодействие мешает им свободно разлетаться и менять расположение, как это происходит в газе. Так возникают устойчивые размеры и форма тела, несмотря на движение частиц.

В кристалле частицы удерживаются в положениях, образующих повторяющийся порядок. Такое строение возникает потому, что взаимное расположение частиц определяется их взаимодействием и повторяется в разных частях вещества. Вместо перечисления всех частиц используют кристаллическую решётку: её узлы показывают характерные положения в структуре. Решётка — удобная модель, а не набор линий, физически находящихся внутри кристалла.

Если порядок продолжается через всё тело, перед нами монокристалл. Его внутреннее строение едино, без разделения на множество по-разному ориентированных участков. Поликристалл, напротив, состоит из небольших кристаллических зёрен — областей с упорядоченным строением. В соседних зёрнах направления этого порядка обычно различаются, поэтому поликристалл нельзя считать одним монокристаллом.

Строение монокристалла может быть не одинаковым относительно всех направлений: частицы и связи между ними располагаются по-разному. Поэтому измеряемое свойство, например прочность или теплопроводность, может меняться при повороте направления измерения. Эту направленную зависимость называют анизотропией. В поликристалле зёрна ориентированы по-разному, и их различия часто усредняются по всему телу.

У аморфного тела нет порядка, который повторялся бы на больших расстояниях, хотя соседние частицы взаимодействуют и могут образовывать локальные упорядоченные группы. Из-за отсутствия единой повторяющейся структуры при нагревании материал не переходит в жидкость скачком при одной определённой температуре. Он постепенно размягчается в некотором интервале температур. Поэтому аморфные тела сохраняют форму, но их поведение при нагревании отличается от поведения многих кристаллов.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Сравнивайте материалы по внутреннему порядку и характеру нагревания, а не только по внешнему виду. Учитывайте, что направленная зависимость особенно характерна для монокристалла, а в поликристалле свойства зёрен могут усредняться.

Разбор задач

Задача 1. Даны кусочки кварца, стекла и поваренной соли. Определите, какие из них кристаллические, а какие аморфные. Не следует делать вывод только по форме кусочков: классифицировать нужно по типу внутреннего порядка.

1. Вспомним, что у кристаллического тела есть дальний порядок, а у аморфного его нет.
2. Кварц и поваренная соль имеют кристаллическое строение: их частицы образуют закономерно повторяющийся порядок.
3. Стекло относится к аморфным телам, поскольку дальнего порядка в расположении его частиц нет.

Ответ: кварц и поваренная соль — кристаллические тела, стекло — аморфное.

Задача 2. Монокристалл исследуют в двух направлениях и обнаруживают различие свойств. Какое свойство наблюдают? Сначала нужно установить, с чем сравнивают результаты: меняют направление измерения, сохраняя исследуемый материал.

1. Монокристалл представляет собой единую упорядоченную структуру, поэтому его направления связаны с определённым расположением частиц.
2. Если одно и то же физическое свойство имеет разные значения в разных направлениях, это направленная зависимость.
3. Направленную зависимость свойств кристалла называют анизотропией.

Ответ: наблюдают анизотропию монокристалла.

Задача 3. Материал состоит из множества мелких кристаллических зёрен, ориентированных по-разному. Почему его свойства в целом могут быть одинаковыми в разных направлениях? Здесь важно не смешивать отдельное зерно и материал, состоящий из множества зёрен.

1. Внутри каждого зерна частицы упорядочены, и свойства отдельного зерна могут зависеть от направления.
2. Зёрна ориентированы по-разному, поэтому направление, выделенное в одном зерне, не совпадает с таким направлением в другом.
3. При рассмотрении всего материала влияние множества ориентаций часто усредняется.

Ответ: свойства поликристаллического тела в целом могут быть примерно одинаковыми в разных направлениях, хотя отдельные зёрна могут быть анизотропными.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любой твёрдый материал кристаллическим. Её допускают, потому что и кристалл, и аморфное тело сохраняют форму, а внешне различие бывает незаметно. Проверьте себя: спросите не о форме, а о наличии дальнего порядка. Стекло — пример твёрдого аморфного материала.

Ошибка: называть поликристалл монокристаллом. Оба материала могут содержать упорядоченные участки, поэтому их легко спутать. Проверьте, распространяется ли единый порядок на всё тело или материал разделён на зёрна с разной ориентацией. Во втором случае это поликристалл.

Ошибка: путать анизотропию с неоднородностью. Неоднородность означает, что свойства различаются в разных местах, а анизотропия — что они зависят от направления. Чтобы проверить вывод, сравните измерения в разных направлениях, а не просто в разных точках образца.

Ошибка: приписывать аморфному телу одну точную температуру плавления. Такое ожидание возникает из-за знакомства с плавлением кристаллов, но аморфный материал обычно постепенно размягчается. Проверьте, происходит ли резкий переход при одной температуре или свойства меняются в некотором интервале.

Связь с другими темами

Чтобы понять строение твёрдых тел, нужно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, а частицы находятся в тепловом движении и взаимодействуют. Эти представления помогают объяснить, почему частицы не покидают устойчивых положений и как формируется структура материала.

Знание внутреннего строения пригодится при изучении деформации и прочности материалов. Оно помогает понять, почему разные вещества ведут себя неодинаково под нагрузкой и как выбирать материал для практического применения.

Что запомнить

• В твёрдом теле частицы расположены близко друг к другу и колеблются около устойчивых положений.
• В кристалле расположение частиц имеет дальний порядок.
• Монокристалл представляет собой единую упорядоченную структуру.
• Поликристалл состоит из множества кристаллических зёрен.
• Анизотропия — зависимость свойств кристалла от направления.
• В аморфном теле нет дальнего порядка, и оно размягчается постепенно.