§ 46. Строение и свойства твёрдых тел

Определения и обозначения

Кристаллическое тело — тело, частицы которого расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру. Такой порядок сохраняется на больших расстояниях внутри образца. Понятие помогает отличать кристаллы от аморфных тел.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц кристалла; узлами решётки называют положения равновесия частиц. В узлах могут находиться атомы, молекулы или ионы. Решётка нужна, чтобы описывать внутреннее строение кристалла и объяснять его свойства.

Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления. Например, прочность или теплопроводность могут быть различными вдоль разных осей кристалла. Это понятие позволяет связать наблюдаемые свойства с расположением частиц.

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором нет дальнего порядка в расположении частиц. Ближний порядок между соседними частицами при этом может сохраняться. Термин нужен для описания стекла, смол и других тел, не имеющих кристаллической решётки.

Как это устроено

Частицы твёрдого тела удерживаются силами взаимодействия около положений равновесия и совершают тепловые колебания. При нагревании средняя энергия этих колебаний увеличивается, но частицы не начинают свободно разлетаться, пока связи сохраняются. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму и объём, хотя его частицы не являются неподвижными.

В кристалле частицы располагаются упорядоченно, потому что силы взаимодействия создают устойчивую повторяющуюся конфигурацию. Если мысленно продолжать это расположение в разных направлениях, возникает периодическая структура. Повторение порядка в пространстве образует кристаллическую решётку.

Различное расположение частиц в разных направлениях объясняет анизотропию монокристаллов. При измерении вдоль одной оси частицы могут сильнее сопротивляться смещению, чем вдоль другой. Поэтому одно и то же свойство, например теплопроводность, зависит от направления измерения.

Поликристалл состоит из множества мелких кристаллов, или зёрен, ориентированных по-разному. Внутри каждого зерна анизотропия может проявляться, но направления в соседних зёрнах различаются. При измерении всего образца эти различия часто усредняются, и его свойства становятся почти одинаковыми по направлениям.

В аморфных телах нет дальнего порядка, характерного для кристаллов, потому что расположение частиц не повторяется регулярно на больших расстояниях. Из-за этого у них обычно нет выраженной направленной зависимости свойств. При нагревании связи ослабевают постепенно, поэтому аморфное тело не плавится в одной строго определённой точке, а размягчается постепенно.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Сначала определите, есть ли у вещества периодический порядок и решётка. Затем сравните, зависит ли свойство от направления и как тело ведёт себя при нагревании. Для реального образца учитывайте, что поликристалл может иметь кристаллическое строение, но почти не проявлять анизотропию.

Разбор задач

Поваренная соль

Условие. Определите, к какому типу относится образец поваренной соли, и укажите признак, по которому это можно установить. Рассматривается обычная крупинка соли, имеющая характерную правильную форму. Нужно связать внешний признак с внутренним строением.

1. Поваренная соль состоит из частиц, расположенных в регулярном порядке.
2. Регулярное повторение расположения означает наличие кристаллической решётки.
3. Правильная форма крупинки является внешним проявлением упорядоченного роста кристалла.

Ответ. Поваренная соль — кристаллическое тело. Установить это можно по упорядоченному строению и характерной правильной форме кристаллика.

Свойства монокристалла

Условие. Монокристалл исследуют в двух направлениях и обнаруживают различие физических свойств. Объясните наблюдение. Нужно определить причину различия, а не считать его погрешностью измерения.

1. Монокристалл имеет единую кристаллическую решётку, ориентированную во всём образце.
2. В разных направлениях расстояния между частицами и характер связей могут различаться.
3. Поэтому при измерении вдоль разных направлений получается разный результат.

Ответ. Наблюдается анизотропия монокристалла. Она вызвана упорядоченным строением решётки и зависимостью свойств от направления.

Свойства поликристалла

Условие. В образце металла много мелких кристаллов с различной ориентацией. Объясните, почему свойства образца в целом могут быть одинаковыми в разных направлениях. Следует отличить свойства отдельного зерна от свойств всего образца.

1. Каждое зерно может проявлять анизотропию, поскольку является кристаллом.
2. Ориентации зёрен различны, поэтому выделенные направления одного зерна не совпадают с направлениями других.
3. При измерении всего образца вклады зёрен усредняются, и направленная зависимость ослабевает.

Ответ. Образец является поликристаллом и обычно почти изотропен. Разная ориентация большого числа зёрен приводит к усреднению свойств по направлениям.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы твёрдого тела неподвижны. Так думают, потому что тело сохраняет форму и не течёт, но частицы всё равно совершают тепловые колебания. Проверка проста: при повышении температуры амплитуда колебаний увеличивается.

Ошибка: путать монокристалл и поликристалл. Монокристалл имеет единую решётку, а поликристалл состоит из множества кристаллических зёрен. Проверьте себя вопросом: есть ли у всего образца одна общая ориентация решётки?

Ошибка: считать анизотропию свойством любого твёрдого тела. Она особенно характерна для монокристаллов, тогда как у поликристаллов и аморфных тел обычно не проявляется на уровне всего образца. Перед выводом выясните, есть ли единая ориентированная решётка.

Ошибка: приписывать аморфному телу такую же решётку, как кристаллу. В аморфном веществе может быть ближний порядок, но дальнего периодического порядка нет. Проверить различие можно по характеру размягчения при нагревании.

Связь с другими темами

Для понимания строения твёрдых тел нужны представления о тепловом движении частиц и силах взаимодействия между атомами и молекулами. Эти знания объясняют, почему частицы колеблются и почему тело сохраняет форму. Без них строение решётки нельзя связать с поведением вещества.

Представления о твёрдых телах используются при изучении деформации, упругости и прочности материалов. Расположение частиц помогает понять, почему тело сопротивляется растяжению, сжатию или сдвигу. Поэтому строение вещества связывает микроскопическую картину с наблюдаемыми механическими свойствами.

Кристаллическая решётка и анизотропия важны при изучении свойств веществ и их применения в технике. Подбирая материал и направление его обработки, можно учитывать прочность, теплопроводность и другие характеристики. Это особенно важно для деталей из монокристаллов и сплавов.

Что запомнить

• Твёрдое тело сохраняет форму и объём благодаря взаимодействию частиц.
• Частицы твёрдого тела колеблются около положений равновесия.
• В кристаллах частицы расположены упорядоченно.
• Свойства монокристалла могут зависеть от направления.
• Поликристалл состоит из множества по-разному ориентированных кристаллов.
• В аморфном теле нет дальнего порядка в расположении частиц.