"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Твёрдые тела сохраняют форму и объём, потому что их частицы расположены близко и взаимодействуют друг с другом. При этом частицы не застыли: они колеблются около устойчивых положений. В кристаллах эти положения образуют упорядоченную решётку, а в аморфных телах дальнего порядка нет. Строение объясняет, почему свойства кристалла могут меняться в зависимости от направления и почему кристалл плавится при определённой температуре, а аморфное тело постепенно размягчается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Твёрдое тело — тело, сохраняющее форму и объём. Это возможно потому, что частицы расположены близко и взаимодействуют, удерживая друг друга; они не разлетаются и не перемещаются свободно, как частицы газа. При этом частицы колеблются около определённых положений. Понятие помогает связать наблюдаемую устойчивость тела с поведением его частиц.
Кристаллическое тело — твёрдое тело, частицы которого расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. Решётка — это повторяющийся порядок расположения частиц внутри вещества. Такое понятие нужно, чтобы описывать внутреннее строение кристалла, а не только его внешний вид. Примеры кристаллических веществ — поваренная соль и сахар.
Аморфное тело — твёрдое тело, частицы которого не образуют дальнего порядка, характерного для кристаллической решётки. Частицы всё равно взаимодействуют, поэтому тело сохраняет форму и объём, но единого повторяющегося рисунка на больших расстояниях у них нет. Пример аморфного тела — стекло. Это понятие отличает его строение от кристаллического.
Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления. Например, измеряемое свойство может быть выражено сильнее в одном направлении, чем в другом. Причина — упорядоченное строение: расположение частиц и связи между ними в разных направлениях могут различаться. Термин помогает объяснять, почему один и тот же кристалл ведёт себя неодинаково при разных направлениях исследования.
Частицы твёрдого тела расположены близко, поэтому между ними действуют силы взаимодействия. Если попытаться сильно сблизить частицы или развести их, взаимодействие мешает сделать это без заметного воздействия. В устойчивом состоянии частицы находятся около положений равновесия и колеблются вокруг них. Поэтому тело сохраняет объём и форму, хотя его частицы не неподвижны.
В кристалле расположение частиц упорядочено: в разных участках повторяется один и тот же характер их размещения. Можно представить это как регулярно повторяющийся рисунок, хотя сами частицы постоянно колеблются около своих мест. Совокупность таких повторяющихся расположений и называют кристаллической решёткой. Её порядок создаёт правильную внутреннюю структуру кристалла.
Упорядоченность кристалла объясняет анизотропию. В разных направлениях частицы могут располагаться неодинаково, поэтому и взаимодействие между ними может иметь свои особенности. Когда измеряют некоторые свойства вдоль разных направлений, результаты способны отличаться. Такое различие связано не с тем, что исследуют разные вещества, а с внутренним строением одного кристалла.
В аморфном теле частицы также находятся близко и взаимодействуют, но их расположение не повторяется в едином порядке на больших расстояниях. Поэтому у тела нет направлений, выделенных регулярной кристаллической решёткой. Как следствие, свойства аморфных тел обычно одинаковы по разным направлениям. Это общее правило описывает их макроскопические свойства, а не означает, что каждая частица окружена совершенно одинаково.
Различное строение проявляется и при нагревании. В кристалле упорядоченная структура разрушается при переходе в жидкое состояние, поэтому плавление происходит при определённой температуре. У аморфного тела нет единого дальнего порядка, который разрушался бы в один момент. Поэтому при нагревании оно постепенно размягчается, а не переходит в жидкость при одной чёткой температуре.
| Признак | Кристаллические тела | Аморфные тела |
|---|---|---|
| Расположение частиц | Упорядоченное, повторяющееся | Нет дальнего порядка |
| Наличие кристаллической решётки | Есть | Нет |
| Зависимость свойств от направления | Свойства могут зависеть от направления | Обычно свойства одинаковы по разным направлениям |
| Поведение при нагревании | Плавятся при определённой температуре | Постепенно размягчаются |
Сравнивайте тела по каждому признаку отдельно: внешний вид сам по себе не показывает, как расположены частицы. Если известно, как образец ведёт себя при нагревании или в разных направлениях, это помогает определить его тип. Таблица показывает типичные свойства и не заменяет объяснение через строение.
Задача 1. Распределите поваренную соль, стекло и сахар на кристаллические и аморфные тела. Обоснуйте ответ.
Определяем, какой признак нужно использовать: характер расположения частиц. Твёрдость и прозрачность сами по себе не показывают, есть ли у вещества дальний порядок. Поэтому не делаем вывод только по внешнему виду образцов.
Поваренная соль и сахар относятся к кристаллическим веществам: их частицы расположены упорядоченно, с образованием кристаллической структуры. Стекло относят к аморфным телам, поскольку его частицы не образуют дальнего порядка. Значит, распределение выполнено по строению, а не по тому, насколько вещество твёрдое.
Ответ: поваренная соль и сахар — кристаллические тела, стекло — аморфное.
Задача 2. Кристалл исследуют в двух направлениях. В одном направлении его свойство выражено сильнее, чем в другом. Какое строение может объяснить наблюдение?
Сначала фиксируем наблюдение: свойство одного кристалла зависит от того, в каком направлении его исследуют. Это не просто различие между двумя образцами, а неодинаковое проявление свойства в разных направлениях внутри одного тела.
Вспоминаем, что частицы кристалла образуют упорядоченную решётку. Их расположение и взаимодействие могут отличаться по направлениям, поэтому упорядоченное строение объясняет разные результаты измерений. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.
Ответ: наблюдение объясняется упорядоченным строением кристалла и его анизотропией.
Задача 3. При нагревании образец сначала постепенно размягчается, а не переходит в жидкое состояние при одной определённой температуре. К какому типу тел его вероятнее отнести? Объясните.
Сопоставляем описание с характером нагревания двух типов тел. Кристаллы плавятся при определённой температуре, тогда как аморфные тела постепенно размягчаются. В условии указано именно постепенное размягчение.
Значит, наиболее вероятно, что образец аморфный. Такой вывод основан на типичном поведении при нагревании, а не на цвете или твёрдости образца. Если бы наблюдался чёткий переход при одной температуре, это было бы характерно для кристалла.
Ответ: образец, вероятнее всего, аморфное тело.
Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так можно решить, наблюдая, что тело сохраняет форму. Но сохранение формы не означает отсутствия движения: частицы колеблются около положений равновесия. Проверьте себя вопросом: частицы неподвижны или их движение ограничено колебаниями?
Ошибка: полагать, что любой твёрдый предмет обязательно кристаллический. Это заблуждение возникает из-за того, что и кристаллы, и аморфные тела сохраняют форму и объём. Однако стекло — твёрдое аморфное тело, поэтому твёрдость не служит достаточным признаком кристаллического строения. Проверяйте, есть ли у частиц дальний порядок.
Ошибка: считать кристаллическую решётку признаком полной неподвижности частиц. Слово «решётка» может навести на мысль о неподвижных узлах. На деле оно описывает упорядоченное расположение частиц, а частицы колеблются около своих положений равновесия. Чтобы проверить себя, разделяйте понятия «порядок расположения» и «движение».
Ошибка: называть анизотропией любое различие свойств тел. Различия могут возникать из-за состава, температуры или других условий, а не из-за направления. Анизотропией называют зависимость свойств именно кристалла от направления. Проверьте формулировку: сравниваются ли направления внутри одного кристалла?
Для понимания строения твёрдых тел нужно знать, что вещества состоят из частиц, а частицы движутся и взаимодействуют. Эти представления объясняют, как микроскопическое устройство вещества связано с его наблюдаемыми свойствами. Например, взаимодействие частиц помогает понять, почему тело сохраняет форму.
Тема показывает связь строения вещества с макроскопическими свойствами материала. Различие между кристаллами и аморфными телами пригодится при изучении тепловых явлений и плавления. В частности, внутреннее строение помогает объяснить разное поведение тел при нагревании.
Понятие кристаллической решётки используют далее при изучении свойств материалов и строения вещества. Оно позволяет описывать порядок частиц, а не только форму и внешний вид предмета. Это помогает связывать наблюдения с устройством вещества на уровне частиц.
Почему твёрдое тело сохраняет форму, если его частицы движутся?
Частицы твёрдого тела колеблются около положений равновесия, а не перемещаются свободно по всему телу. Их сильное взаимодействие удерживает частицы рядом и не даёт телу терять форму.
Все ли твёрдые тела состоят из кристаллов?
Нет. Твёрдые тела бывают кристаллическими и аморфными. Например, соль и сахар — кристаллические вещества, а стекло — аморфное.
Что называют кристаллической решёткой?
Это упорядоченное расположение частиц в кристалле. Оно повторяется в разных его частях и создаёт правильную внутреннюю структуру.
Почему свойства кристалла могут зависеть от направления?
Частицы кристалла расположены упорядоченно, но их строение в разных направлениях может различаться. Поэтому некоторые свойства кристалла проявляются неодинаково при измерении в разных направлениях; это называют анизотропией.
Чем плавление аморфного тела отличается от плавления кристалла?
Кристалл переходит в жидкое состояние при определённой температуре. Аморфное тело при нагревании не плавится сразу, а постепенно размягчается.
§ 15. Строение твёрдых тел. Кристаллические и аморфные тела
