§ 43. Аморфное состояние твёрдого тела

Определения и обозначения

Аморфное состояние твёрдого тела — состояние вещества, в котором частицы не образуют упорядоченной кристаллической решётки. Это не означает, что частицы расположены совершенно случайно: закономерность сохраняется рядом с каждой из них. Понятие помогает отличить такие вещества, как стекло, от кристаллов.

Ближний порядок — упорядоченность расположения частиц, которая сохраняется среди ближайших соседей, но не повторяется на больших расстояниях. Соседние частицы занимают характерные положения друг относительно друга, однако дальше эта закономерность не образует общей решётки. Поэтому ближний порядок позволяет описать строение аморфного тела точнее, чем фраза «порядка нет».

Изотропия — одинаковость свойств тела по разным направлениям. Например, если измерять подходящее физическое свойство стекла вдоль разных осей, его значения в среднем будут одинаковы. Это понятие нужно, чтобы сравнивать аморфные тела с кристаллами, свойства которых могут зависеть от направления.

Стеклование — переход вещества при охлаждении в твёрдое аморфное состояние без резкого образования кристаллической решётки. Частицы в таком случае сохраняют беспорядочное расположение на больших расстояниях. Термин помогает объяснить, как расплав может затвердеть, не превратившись в кристалл.

Как это устроено

В кристалле частицы расположены в повторяющемся порядке: выбранная схема строения воспроизводится на больших расстояниях. В аморфном теле такой повторяющейся структуры нет, хотя соседние частицы взаимодействуют и занимают закономерные положения. Причина ближнего порядка в том, что взаимодействие особенно заметно между близкими частицами. Но эта локальная закономерность не задаёт единую ориентацию и расположение всего тела, поэтому дальний порядок не возникает.

Кристаллическая решётка выделяет в кристалле определённые направления, и свойства вдоль них могут различаться. В аморфном теле нет упорядоченной структуры, которая выделяла бы такие направления. Если рассматривать тело в целом, разные направления оказываются равноправными, и свойства в среднем одинаковы. Именно поэтому аморфные тела называют изотропными; это характеристика направлений внутри одного тела, а не утверждение, что разные вещества обладают одинаковыми свойствами.

Кристалл плавится, когда его упорядоченная структура разрушается при определённой температуре. У аморфного тела нет дальнего порядка, который мог бы исчезнуть одновременно во всём веществе при одной чёткой температуре. При нагревании частицы постепенно становятся подвижнее, и тело теряет жёсткость не сразу. Поэтому вместо резкого плавления обычно наблюдается размягчение в некотором интервале температур.

При охлаждении расплава частицы движутся и могут успеть выстроиться в кристаллическую структуру. Если охлаждение идёт достаточно быстро, они не успевают занять положения, нужные для появления дальнего порядка. Подвижность частиц снижается, и беспорядочная структура сохраняется в твёрдом теле. Такой переход к аморфному состоянию называют стеклованием; оно возможно не только для обычного стекла.

В твёрдом состоянии частицы не обязательно совершенно неподвижны: они могут перемещаться, хотя и медленно. В некоторых аморфных телах небольшая подвижность со временем приводит к очень медленному течению. Скорость процесса зависит от вещества и условий, в частности от температуры. Поэтому способность течь не означает, что предмет быстро меняет форму или ведёт себя как жидкость в обычных условиях.

Сравнение кристаллического и аморфного состояния

Сравнивайте тела по нескольким признакам, а не только по внешнему виду: прозрачными могут быть и кристаллы, и аморфные вещества. Особенно полезны расположение частиц, наличие дальнего порядка и поведение при нагревании. По этим признакам можно обосновать, к какому состоянию относится материал.

Разбор задач

1. Стекло и строение вещества

Условие. Определите, к какому типу твёрдых тел относится стекло, и назовите характерный признак его строения. Нужно использовать не внешний вид материала, а особенности расположения его частиц.

1. Выясним, есть ли в стекле дальний порядок: расположение частиц повторяется ли регулярно на больших расстояниях?
2. У стекла нет такой повторяющейся кристаллической структуры. При этом среди ближайших частиц сохраняется ближний порядок, так что говорить о полном отсутствии всякой закономерности неверно.
3. Сопоставим этот признак с определением: отсутствие дальнего порядка характерно для аморфного тела.

Ответ. Стекло относится к аморфным телам; его характерный признак — отсутствие дальнего порядка при сохранении ближнего порядка.

2. Сравнение свойств по направлениям

Условие. Сравните стекло и кристалл по свойствам, измеренным в двух направлениях. Объясните, в каком случае результаты должны быть одинаковыми. Здесь важно не смешивать свойства разных веществ с зависимостью свойства одного тела от направления.

1. Проверим, выделяет ли строение тела особые направления. Кристаллическая решётка может задавать такие направления, поэтому кристалл способен проявлять анизотропию.
2. В стекле нет упорядоченной решётки, которая выделяла бы направления. Поэтому при одинаковых условиях измерения его свойства в среднем должны совпадать для разных направлений.
3. Сделаем вывод с помощью термина: одинаковость свойств по направлениям называется изотропией. Она характерна для аморфного стекла, но не обязана быть характерна для кристалла.

Ответ. Одинаковых результатов по направлениям ожидают у стекла — аморфного изотропного тела. У кристалла результаты могут различаться из-за анизотропии.

3. Постепенное размягчение вещества

Условие. При нагревании вещество постепенно размягчается в некотором интервале температур. Можно ли считать его аморфным? Для ответа нужно сопоставить наблюдение с поведением кристалла и строением вещества.

1. Отметим наблюдаемый признак: размягчение происходит постепенно, а не как резкий переход в жидкое состояние при одной температуре.
2. Для кристаллического тела характерно наличие чёткой температуры плавления, связанной с разрушением упорядоченной решётки. Аморфное тело не имеет дальнего порядка, который разрушался бы одновременно во всём веществе.
3. Сопоставим строение и нагревание: постепенное размягчение согласуется с аморфным состоянием. Однако одного наблюдения недостаточно, чтобы доказать строение окончательно; это сильный признак, который следует рассматривать вместе с другими свойствами.

Ответ. Вещество можно считать аморфным, если постепенное размягчение подтверждается отсутствием дальнего порядка. Сам характер нагревания согласуется с аморфным состоянием, но не заменяет исследования строения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что у аморфного тела вообще нет порядка. Так можно решить, если понимать слово «аморфное» как полную случайность расположения частиц. В действительности ближний порядок сохраняется у ближайших соседей. Проверка: отличайте закономерность вокруг соседей от повторения структуры на больших расстояниях.

Ошибка: понимать изотропию как одинаковость свойств любых веществ. Путаница возникает из-за слов «свойства одинаковы», но речь идёт о направлениях внутри одного тела. Изотропное стекло и другой материал могут иметь совершенно разные характеристики. Проверка: задайте вопрос, сравниваются ли два направления в одном образце или два разных вещества.

Ошибка: приписывать аморфному телу строго определённую температуру плавления. Так делают, перенося на него поведение кристаллов. Обычно аморфное тело при нагревании постепенно размягчается в интервале температур. Проверка: выясните, наблюдается ли резкий переход при одной температуре или постепенное изменение жёсткости.

Ошибка: считать, что аморфное тело обязательно быстро течёт. Способность некоторых таких тел течь связана с подвижностью частиц, но скорость процесса может быть очень мала. В обычных условиях изменение формы может оставаться незаметным. Проверка: не приравнивайте возможность медленного течения к поведению жидкости за короткое время.

Связь с другими темами

Для изучения аморфного состояния нужна модель строения вещества: частицы движутся и взаимодействуют, а их взаимное расположение определяет свойства тела. Поэтому полезно вспомнить кристаллическую решётку, дальний порядок и анизотропию. Сравнение с кристаллами помогает увидеть, какие свойства связаны именно с упорядоченной структурой.

Эти представления применяют при изучении материалов, в том числе стекла и полимеров. Понимание строения и поведения при нагревании помогает учитывать свойства материала при выборе для техники и строительства. Например, важно знать, насколько он сохраняет форму и как меняется при нагревании.

Что запомнить

• В аморфном теле нет дальнего порядка в расположении частиц.
• Порядок сохраняется только среди ближайших частиц.
• Аморфные тела в среднем изотропны.
• У аморфного тела обычно нет одной чёткой температуры плавления.
• При нагревании аморфное тело постепенно размягчается.
• Стекло и многие полимеры относятся к аморфным телам.