Кристалічні та аморфні тіла - студопедія
На відміну від рідин тверді тіла володіють пружністю форми При всяких спробах змінити геометрію твердого тіла в ньому виникають пружні сили, що перешкоджають цьому впливу. Виходячи з особливостей внутрішньої структури твердих тіл, розрізняють кристалічні і аморфні тверді тіла. Кристали і аморфні тіла істотно розрізняються між собою за багатьма фізичними властивостями.
Аморфні тіла за своєю внутрішньою структурою дуже нагадують рідини, тому їх часто називають переохолоджених рідин. Як і рідини, аморфні тіла структурно ізотропні. Їх властивості не залежать від розглянутого напрямку. Пояснюється це тим, що в аморфних тілах, так само, як і в рідинах зберігається ближній порядок (координаційне число), а дальній (довжини і кути зв'язків) отсутствует.Етімі забезпечується повна однорідність всіх макрофізіческіх властивостей аморфного тіла. Типовими прикладами аморфних тіл є скла, смоли, бітуми, бурштин.
Кристалічні тіла, на відміну від аморфних, мають чітку впорядковану мікроструктуру, яка зберігається на макрорівні і проявляється зовні у вигляді дрібних зерен з плоскими гранями і гострими ребрами, званих кристалами.
Поширені в природі кристалічні тіла (метали і сплави, цукор і кухонна сіль, лід і пісок, камінь і глина, цемент і кераміка, напівпровідники і т д) зазвичай є полікристалів, що складаються з хаотично орієнтованих, зрощених між собою монокрісталліков (кристалітів), розміри яких складають близько 1 мкм (10 -6 м) Однак іноді зустрічаються монокристали досить великих розмірів. Наприклад, монокристали гірського кришталю досягають людського зросту В сучасній техніці монокристали грають важливу роль, тому розроблена технологія їх штучного вирощування.
Усередині монокристалла атоми (іони) речовини розміщуються з дотриманням далекого порядку, в вузлах чітко орієнтованої в просторі геометричної структури, що отримала назву кристалічної решітки Кожна речовина утворює в твердому стані свою, індивідуальну по геометрії кристалічну решітку. Її форма визначається структурою молекул речовини. В решітці завжди може бути виділена елементарна осередок, яка зберігає всі її геометричні особливості, але включає в себе мінімально можливе число вузлів.
Монокристали кожного конкретного речовини можуть мати різні розміри. Однак всі вони зберігають однакову геометрію, яка проявляється в збереженні постійних кутів між відповідними гранями кристала. Якщо форма монокристалла буде примусово порушена, то він при подальшому вирощуванні з розплаву або просто при нагріванні обов'язково відновлює свою колишню форму. Причиною такого відновлення форми кристала є відоме умова термодинамічної стійкості - прагнення до мінімуму потенційної енергії. Для кристалів це умова сформульована незалежно один від одного Дж У. Гіббс, П Кюрі і Г. В. Вульфом у вигляді принципу: поверхнева енергія кристала повинна бути мінімальною.
Однією з найбільш характерних особливостей монокристалів є анізотропія їх багатьох фізико-механічних властивостей. Наприклад, твердість, міцність, крихкість, теплове розширення, швидкість поширення пружних хвиль, електропровідність і теплопровідність багатьох кристалів можуть залежати від напрямків в кристалі. У полікристалах анізотропія практично не проявляється тільки через хаотичну взаємної орієнтації утворюють їх дрібних монокрісталліков. Вона пов'язана з тим, що в кристалічній решітці відстані між вузлами в різних напрямках в загальному випадку виявляються суттєво різними.
Іншою важливою особливістю кристалів можна вважати те, що вони плавляться і кристалізуються при постійній температурі, в повній відповідності з термодинамічної теорії фазових переходів першого роду. У аморфних твердих тіл чітко виражений фазовий перехід відсутній. При нагріванні вони розм'якшуються плавно, в широкому інтервалі зміни температури Це означає, що у аморфних тіл немає певної регулярної структури і при нагріванні вона руйнується поетапно, тоді як кристали при нагріванні руйнують однорідну кристалічну решітку (з її далеким порядком) строго при фіксованих енергетичних умовах, а отже, і при фіксованій температурі.
Деякі тверді речовини здатні існувати стійко як в кристалічному, так і в аморфному станах. Характерним прикладом може служити скло. При досить швидкому охолодженні розплаву скло стає дуже в'язким і твердне, не встигаючи придбати кристалічну структуру. Однак при дуже повільному охолодженні, з витримкою на певному температурному рівні те ж саме скло кристалізується і набуває специфічні властивості (такі скла називають Сіталл). Іншим типовим прикладом є кварц. У природі він зазвичай існує у вигляді кристала, а з розплаву завжди утворюється аморфний кварц (його так і називають плавленим кварцом). Досвід показує, що чим складніше молекули речовини і чим сильніше їх міжмолекулярні зв'язки, тим легше при охолодженні отримати тверду аморфну модифікацію.