"Физика", Изергин Э.Т.
Кристаллы — твёрдые тела, в которых частицы расположены упорядоченно и образуют повторяющуюся структуру. Такой порядок называют кристаллической решёткой. Он влияет на форму тела и его физические свойства: в разных направлениях они могут отличаться. Кристаллы бывают монокристаллическими и поликристаллическими, а рядом с ними существуют аморфные тела, не имеющие дальнего порядка частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристаллическое тело — твёрдое тело, частицы которого расположены упорядоченно. Это означает, что соседние частицы находятся не случайно, а повторяют определённую схему на больших расстояниях. Такое определение помогает отличить кристалл от аморфного тела, где нет длительно сохраняющегося порядка.
Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле. Закономерность такого расположения повторяется в пространстве, поэтому по небольшому участку можно представить строение всего кристалла. Решётка описывает внутреннее устройство, а не внешний вид образца.
Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления. Например, в разных направлениях могут различаться прочность, теплопроводность, скорость распространения света или скорость роста граней. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему один и тот же кристалл ведёт себя неодинаково при разных направлениях измерения.
Монокристалл — кристалл, в котором упорядоченное строение сохраняется во всём теле. Образец, составленный из множества мелких кристаллов с разной ориентацией, монокристаллом не является: это поликристаллическое тело. Различие важно при объяснении его общих механических и тепловых свойств.
Частицы кристалла занимают не любые места, а положения, которые повторяются через определённые промежутки. Такое повторение создаёт закономерную структуру во всём объёме вещества. Её называют кристаллической решёткой, потому что в упрощённой модели положения частиц напоминают узлы пространственной сетки.
Когда кристалл растёт из раствора или расплава, новые частицы присоединяются к уже существующим слоям решётки. Они легче закрепляются там, где это соответствует внутреннему порядку, поэтому разные участки поверхности растут с неодинаковой скоростью. В результате появляются плоские грани и углы, а внешняя форма становится многогранной и связанной с внутренним строением.
Упорядоченность не одинакова относительно всех направлений. Вдоль одного направления частицы могут быть расположены плотнее или связаны сильнее, чем вдоль другого. Поэтому измеренные прочность, теплопроводность, скорость расширения или другие свойства иногда имеют разные значения.
В монокристалле одна и та же ориентация решётки продолжается от одного края до другого. В поликристаллическом теле отдельные зёрна имеют собственные решётки, но их направления различны. Анизотропия каждого зерна частично компенсируется, поэтому весь образец часто проявляет свойства более одинаково по направлениям.
Кристаллы образуются, когда вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое и его частицы закрепляются в устойчивом порядке. На рост влияют температура, скорость охлаждения, состав раствора, наличие примесей и свободное место для формирования граней. Медленный рост обычно даёт частицам больше времени занять правильные положения, а быстрое охлаждение может привести к множеству мелких зёрен.
| Признак | Кристаллическое тело | Аморфное тело |
|---|---|---|
| Расположение частиц | Упорядоченное, повторяющееся | Нет дальнего повторяющегося порядка |
| Зависимость свойств от направления | Свойства могут различаться по направлениям | Обычно свойства почти одинаковы по направлениям |
| Поведение при нагревании и плавлении | Плавится при определённой температуре | Постепенно размягчается в некотором диапазоне температур |
| Примеры веществ | Кварц, поваренная соль, алмаз | Стекло, воск, многие пластмассы |
Сначала определите, есть ли у вещества устойчивый порядок частиц, а затем сравните его свойства при нагревании. Если образец состоит из зёрен, каждое зерно может быть кристаллом, хотя весь кусок не обязательно является монокристаллом.
Условие. Даны кусок кварца и кусок стекла. Нужно определить, какое тело относят к кристаллическим, и назвать признак сравнения. Внешний вид сам по себе не даёт полного ответа, поэтому рассматриваем внутреннее строение.
Решение.
Ответ: кварц — кристаллическое тело, а стекло — аморфное; главный признак — порядок расположения частиц.
Условие. В образце кристалла одно и то же физическое свойство измерили вдоль двух направлений и получили разные значения. Нужно определить, какое свойство строения проявилось в опыте. Различие результатов связано не с ошибкой само по себе, а с направлением измерения.
Решение.
Ответ: опыт иллюстрирует анизотропию кристалла.
Условие. Под микроскопом образец оказался состоящим из множества маленьких кристаллических зёрен. Зёрна ориентированы по-разному, поэтому нужно определить тип тела и его общие свойства. Наличие кристаллов внутри образца ещё не доказывает, что весь образец является одним кристаллом.
Решение.
Ответ: это не монокристалл, а поликристалл; разная ориентация зёрен ослабляет проявление общей анизотропии.
Любая твёрдая вещь — кристалл. Ошибка возникает из-за смешения понятий твёрдого состояния и кристаллического строения. Проверьте, есть ли упорядоченная решётка: стекло и воск твёрдые, но аморфные.
Кристаллическая решётка — это внешняя форма. Так думают, потому что кристаллы часто выглядят как многогранники. Проверьте себя вопросом: речь идёт о гранях или о расположении частиц внутри тела?
Анизотропия означает неоднородность вещества. На самом деле это зависимость свойства от направления, а не обязательно различие состава в разных местах. Для проверки мысленно измерьте одно свойство вдоль разных направлений.
Любой образец с кристаллическими зёрнами — монокристалл. Ошибка появляется, если не замечать границы между зёрнами и их разную ориентацию. Единая решётка во всём объёме означает монокристалл, а множество ориентированных по-разному зёрен — поликристалл.
Для понимания кристаллов нужно знать, что вещества состоят из частиц, а частицы непрерывно движутся. При повышении температуры их движение становится интенсивнее, а при охлаждении частицы могут закрепиться в более устойчивом порядке.
Различие кристаллической и аморфной структуры помогает изучать плавление и затвердевание. Оно также нужно для объяснения того, почему материалы с разным строением имеют разные свойства и по-разному ведут себя при нагревании.
Почему кристаллы часто имеют форму многогранников?
При росте кристалла частицы присоединяются к нему в определённом порядке. Поэтому одни грани растут медленнее, а другие быстрее, и постепенно формируется правильная многогранная форма.
Все ли твёрдые тела являются кристаллами?
Нет. Кристаллы имеют упорядоченное расположение частиц, а аморфные тела, например стекло, такого повторяющегося порядка не имеют.
Что такое кристаллическая решётка?
Кристаллическая решётка — это упорядоченное расположение частиц внутри кристалла. Оно повторяется в пространстве по определённой закономерности.
Почему свойства кристалла могут зависеть от направления?
В разных направлениях частицы кристалла расположены неодинаково относительно друг друга. Поэтому, например, прочность, теплопроводность или скорость роста граней могут различаться.
Чем монокристалл отличается от поликристалла?
Монокристалл имеет единую кристаллическую структуру во всём объёме. Поликристалл состоит из множества маленьких кристаллов-зёрен, ориентированных по-разному.
§ 23. Кристаллы
