Кристаллические и аморфные тела
Всего получено оценок: 362.
В зависимости от внутреннего строения твердые тела бывают либо кристаллическими, либо аморфными. Молекулы и атомы кристаллов расположены в определенной, повторяющейся последовательности на больших расстояниях, сохраняя так называемый дальний порядок. Атомы и молекулы в аморфных телах размещены неупорядоченно, для них характерен ближний порядок со строением аналогичным жидкому состоянию вещества. Рассмотрим основные отличия кристаллических тел от аморфных, которые проявляются в их физических свойствах.
Твердые тела
Все твердые тела обладают следующими общими свойствами:
Рис. 1. Примеры решеток кристаллических и аморфных тел – кварц аморфный и кристаллический.
Современные ученые исследуют пространственное расположение атомов и молекул в твердых телах с помощью электронных микроскопов, которые позволяют получить изображение объекта с сильным увеличением (до 106 раз). Первый электронный микроскоп был изобретен в 30-х годах прошлого века. В 2018 г. с помощью последних версий этого прибора было получено разрешение 0,39 ангстрем. Напомним, что 1 ангстрем равен 10-8 см. В большинстве кристаллов это соответствует шагу атомной решетки.
Смола, воск, графит, изделия из стекла и янтаря, пластмассы — все это примеры аморфных тел (от греч.слова Amorphous — бесформенный, некристаллический).
Отсутствие дальнего порядка в расположении частиц вещества у аморфных тел приводит к тому, что их физические свойства одинаковы во всех направлениях. Такие тела называют изотропными (слово “изотропный” составлено из двух греческих слов: isos — ровный, tropos — направление). Изотропность физических свойств аморфных тел является следствием хаотичного расположения составляющих их молекул и атомов.
Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие определенной температуры плавления, то есть отсутствует четкий переход от твердого состояния к жидкому: при нагревании аморфное тело становится только более текучим.
Кристаллические тела
Твердые тела, в которых молекулы и атомы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллов (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические) в разных направлениях неодинаковы. Такое свойство называется анизотропностью. Анизотропия кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении частиц расстояния между ними и силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) оказываются неодинаковыми в разных направлениях.
Различают кристаллические тела двух видов: монокристаллы и поликристаллы. Главным признаком монокристаллов является повторяющееся внутреннее строение (структура) во всем объеме тела.
Поликристалл — это совокупность (набор) сросшихся друг с другом, хаотически ориентированных, небольших кристаллов. Каждый маленький кристалл обладает свойствами анизотропии, но их совокупность — поликристалл — изотропен.
Рис. 2. Монокристаллы и поликристаллы.
Часто встречаются кристаллические тела одинаковые по своему химическому составу, но обладающие очень разные физические свойства. Самый известный пример — это углерод, имеющий две модификации: графит и алмаз. Разное строение кристаллических решеток является причиной того, что алмаз имеет рекордные показатели твердости, а графит из-за его мягкости используется в качестве грифелей для карандашей.
Рис. 3. Графит и алмаз.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что кристаллические и аморфные тела кроме общих признаков, которые относят их к твердым телам, имеют совершенно разные физические свойства. Аморфные тела обладают изотропными свойствами, а для кристаллов характерна анизотропия физических параметров. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Тест по теме
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Оценка доклада
А какая ваша оценка?
Запрос «Кристалл» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Друза кристаллов кварца
Криста́ллы (от греч. первоначально — «лёд», в дальнейшем — «горный хрусталь; кристалл») — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристаллы — твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Морфология кристаллов — наука, изучающая происхождение кристаллов и их размещение этих граней в пространстве. Представляет собой отрасль кристаллографии.
Большинство природных кристаллов имеют гладкие кристаллические грани, в малогабаритных формах; грани кристаллов оптически плоские и обычно дают чёткие отражения окружения (как в оконном стекле). У больших кристаллов отражения бывают более размытыми и, следовательно, сами грани не идеально плоские.
Плоские грани у кристаллов свидетельствуют о правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние вещества.
Знание морфологии драгоценных материалов необходимо для распознания таких камней в необработанном состоянии, а также для лучшей огранки того или иного кристалла.
Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.
Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны:
Следует разделить идеальный и реальный кристаллы.
Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.
В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.
В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Однако принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.
Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.
Физические науки, изучающие кристаллы
Вообще, изучением свойств реальных кристаллов занимается огромная научная отрасль; достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счёт дефектов.
- Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия: Справ. изд. М.: Химия, 1989.
- Шубников А. В., Флинт Е. А., Бокий Г. Б., Основы кристаллографии, М.— Л., 1940.
- Шаскольская М., Кристаллы, М., 1959;
- Костов И., Кристаллография, пер. с болг., М., 1965.
- Банн Ч., Кристаллы, пер. с англ., М., 1970;
- Лейбфрид Г., Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов, пер. с нем., М., 1963.
Продолжительность учебного занятия: 90 минут
Тип учебного занятия: урок объяснения нового
материала
Форма учебного занятия: урок – презентация
Оборудование: Компьютер, коллекция уральских
камней (минералов), штатив, кусок резины, линейка,
груз, модель для демонстрации видов деформации.
I. Орг. момент. Мотивация.
Мы живем в мире, в котором большая часть веществ
находится в твердом состоянии. Мы пользуемся
различными механизмами, инструментами,
приборами. Мы живем в домах и квартирах. Имеем
мебель, бытовые приборы, современнейшие средства
связи: радио, телевидение, компьютеры и т.д. А ведь
все это твердые тела. С физической точки зрения,
человек – твердое тело. Так что же такое твердые
тела? (Слайд 1,2)
II. Объяснение нового материала.
Существует два вида твердых тел: кристаллические
и аморфные. ( Слайд 3)
В природе наиболее часто встречаются твердые
тела, имеющие форму правильных многогранников –
кристаллы. ( Слайд 4)
Демонстрация кристаллов. ( Слайд 5,6,7,8)
Коллекция уральских камней. ( Слайд 9)
Если рассматривать при помощи лупы или
микроскопа крупинки сахара, соли, медного
купороса и т.п., то можно заметить, что они
ограничены плоскими, как бы шлифованными
гранями. Наличие таких естественных граней
является признаком нахождения вещества в
кристаллическом состоянии. ( Слайд 10)
Для кристаллических тел характерна анизотропия.
(Слайд 11)
Анизотропия – неодинаковость свойств
кристаллов по разным направлениям.
Например, при нагревании кристалл может
расширяться по-разному в разных направлениях, а
некоторые (например, графит) в одном направлении
при нагревании расширяются, а в другом –
сжимаются. Оптические и электрические свойства
кристаллов также зависят от направления
(например, скорость света по разным направлениям
может быть различной). Скорость роста кристалла
(когда он образуется из расплава или
пересыщенного раствора) по разным направлениям
также различна. Если бы он рос по всем
направлениям с одинаковой скоростью, то всегда
получалось бы тело в форме шара.
Очень многие тела одинакового химического
состава в кристаллическом состоянии в
зависимости от условий могут существовать в двух
или более разновидностях. Это свойство
называется полиморфизмом (многоформностью).
Особо важное значение для техники имеет
полиморфизм углерода – углерод кристаллизуется
в двух модификациях: графит и алмаз. Графит –
мягкий материал матово-черного цвета. Из него,
например, изготавливают грифели карандашей.
Алмаз – это прозрачный и очень твердый кристалл.
При температуре около 1500С (при нагревании в
вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы
графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до
20000С под давлением 1010Па. В настоящее
время освоено промышленное производство
искусственных алмазов. Искусственные алмазы
широко применяются в различных режущих
инструментах. ( Слайд 12)
Не все твердые тела – кристаллы. Существует
множество аморфных тел (от греческого слова amorphos
— бесформенный). ( Слайд 13)
У аморфных тел свойства по разным направлениям
одинаковы, они, как говорят, изотропны (греч.
“изос” — одинаковый, “тропос” — направление).
Примерами аморфных тел являются стекло (Слайд
14 — скрытый), всевозможные смолы – янтарь.
У аморфных тел в расположении молекул нет
определенного порядка, т.е. отсутствует
кристаллическая структура. В кристаллах они
расположены в определенном порядке,
следовательно, твердые тела, кристаллы имеют
кристаллическую решетку.
Аморфные тела при низких температурах по своим
свойствам напоминают твердые тела. У аморфных
тел нет определенной температуры плавления. ( Слайд
15)
Может показаться, что кристаллических тел
очень мало. Но это не так. Подавляющее
большинство твердых тел, в том числе все металлы
и большинство минералов, являются кристаллами.
Но обычно их кристаллические свойства не
проявляются. Тело полностью обнаруживает свои
кристаллические свойства, если оно является
монокристаллом, т.е. во всем объеме имеет единую
кристаллическую решетку (“моно” — один, единый). ( Слайд
16)
Но в большинстве же случаев твердые тела
состоят из множества сросшихся маленьких
кристалликов, ориентированных беспорядочно. Их
называют поликристаллами (“поли” — много).
Поликристаллическими являются все металлы и
минералы. В отличие от монокристаллов
поликристаллы изотропны, т.е. их свойства
одинаковы во всех направлениях. ( Слайд 17)
Почему одно и то же вещество (сахар, например)
может быть и кристаллом и аморфным телом?
Ответ на этот вопрос учащиеся дают на основе
анализа графика зависимости температуры
плавления от количества выделившейся теплоты.
Учащиеся отмечают, что при нагревании
кристаллические решетки не разрушаются, а при
температуре плавления связи между частицами
кристаллической решетки нарушаются и происходит
ее разрушение, вещество при этом теряет свойства
анизотропии и становится изотропным.
В целях систематизации изучаемого материала по
ходу беседы учащиеся заполняют таблицу
“Кристаллические и аморфные тела” (табл. 1).
Деформация – это изменение размеров и формы
тела под действием силы.
При деформации возникает сила упругости, она
направлена в сторону, противоположную
направлению частиц тела при деформации. Но не
всегда деформация приводит к появлению сил
упругости. Пластичные тела не восстанавливают
своей формы после прекращения действия силы. То
есть существует упругая и пластическая
деформации.
Упругая деформация – это деформация, при
которой после прекращения действия силы размеры
и форма тела восстанавливаются (например,
пружина).
Пластическая деформация – это деформация,
при которой после прекращения действия силы тело
не восстанавливает свою первоначальную форму и
размеры (например, пластилин).
Фронтальная лабораторная работа “Наблюдение
упругих и пластических деформаций тел”
Приборы и материалы: 1) резина
ученическая (ластик); 2) полоска резинки; 3) кусок
пластилина.
1. Растяните, затем согните ластик.
Ответьте на вопросы:
— Как направлены силы, действующие на ластик при
его растяжении и сжатии?
— Как направлена сила упругости, возникающая в
ластике при деформации, относительно
направления смещения его частиц?
2. Изогните ластик. В каких слоях ластика
возникли деформации растяжения, а каких –
сжатия?
3. Скрутите ластик. Из каких деформаций состоит
деформация кручения?
4. Подвергните деформации сжатия кусок
пластилина. Восстанавливается ли его форма после
снятия нагрузки?
5. Подвергните деформации растяжения полоску
резинки. Восстанавливается ли ее форма после
снятия нагрузки?
Учащиеся называют виды деформаций и приводят
примеры. ( Слайд 18)
Какие виды деформаций испытывает человеческое
тело?
Человеческое тело испытывает достаточно
большую механическую нагрузку от собственного
веса и от мышечных усилий, возникающих во время
трудовой деятельности.
Интересно, что на примере человека можно
проследить все виды деформации. Деформации
сжатия испытывает позвоночный столб и нижние
конечности и покровы ступни. Деформации
растяжения – верхние конечности, связки,
сухожилия, мышцы. Деформации изгиба –
позвоночник, кости таза. Деформация кручения –
шея при повороте головы, туловище в пояснице при
повороте.
Рассмотрим удлинение стержня. ( Слайд 19)
L0 – первоначальная длина стержня;
L – длина стержня под действием нагрузки;
S – площадь поперечного сечения стержня;
F- деформирующая сила;
—
напряжение, возникающее в стержне.
Напряжение – это сила, приходящаяся на
единицу площади поперечного сечения.
L – L0 = ?L – абсолютное удлинение
стержня к первоначальной длине.
Например, L0 = 3м;
L =
6см = 0,06м;
— закон Гука
При малых деформациях относительное удлинение
пропорционально приложенному напряжению. ( Слайд
20)
Е — модуль Юнга – модуль упругости.
Сформулируем физический смысл модуля Юнга.
Пусть относительное удлинение
= 1; тогда
= 2; L = 2L0,
следовательно, Е =
Модуль Юнга численно равен приложенному
напряжению при = 1.
Модуль Юнга – это напряжение, при котором
первоначальная длина увеличивается в 2 раза.
Если напряжение превысит определенную для
данного материала величину, то после прекращения
действия силы тело не восстановит своей
первоначальной формы. Это напряжение называют
пределом упругости.
Закон Гука выполняется лишь до тех пор, пока
напряжение в материале не превысило предел
упругости.
Предел прочности – минимальное напряжение, при
котором происходит разрыв тела.
пр – предел
прочности.
Отношение предела прочности к допускаемому
напряжению называют запасом прочности (n).
Рассмотрим график зависимости абсолютного
удлинения от величины деформирующей силы
(диаграмма растяжения). ( Слайд21)
Материалы, у которых область текучести
значительна, могут без разрушения выдерживать
большие деформации. Такие материалы называют пластичными
(пластилин, медь, золото).
Если же область текучести материала почти
отсутствует, он без разрушения может выдерживать
лишь небольшие деформации. Такие материалы
называют хрупкими (стекло, кирпич, бетон, чугун).
(Слайд 21)
Описывая строение кристаллов, мы до сих пор
пользовались их идеальными моделями. Отличие
реальных кристаллов от идеальных состоит в том,
что реальные кристаллы не обладают правильной
кристаллической решеткой. В них всегда
встречаются нарушения строгой периодичности в
расположении атомов. Эти нарушения называют дефектами
в кристаллах. ( Слайд 22)
Дефекты образуются в процессе роста кристаллов
под влиянием теплового движения молекул,
механических воздействий, облучения потоками
частиц, из-за наличия примесей.
Точечные дефекты. Такие дефекты возникают
при замещении одного из атомов кристаллической
решетки атомом примеси (а), внедрения атома между
узлами решетки (б) или в результате образования
вакансий – отсутствия атома в одном из узлов
решетки (в). ( Слайд 22). Наличие точечных
дефектов в кристалле сильно влияет на его
свойства.
В настоящее время знания о кристаллах и их
дефектах достигли такого уровня, что можно точно
предсказать, какова может быть прочность
различных материалов. Разработаны принципы
проектирования материалов с заранее заданными
свойствами. А это чрезвычайно важно для создания
сверхзвуковых самолетов, космических ракет,
дешевых и прочных автомобилей, тракторов и т.д.
Появилась возможность повышения прочности
материалов и тем самым уменьшения веса машин и
механизмов, увеличения их надежности.
Применения кристаллов в науке и технике очень
разнообразны. Около 80% всех добываемых природных
алмазов и все искусственные алмазы используются
в промышленности.
Алмазные инструменты применяются для
обработки деталей из самых твердых материалов,
используются в буровых инструментах при
разведке и добыче полезных ископаемых. Алмазы
служат опорными камнями в хронометрах высшего
класса для морских судов и в других особо точных
приборах. На алмазных подшипниках не
обнаруживается никаких следов износа даже после
25 000 000 оборотов. ( Слайд 23,24)
Исключительная роль выпала на долю кристаллов
в современной электронике. Большинство
полупроводниковых электронных приборов
изготовлено из кристаллов германия или кремния. ( Слайд
25)
Новая область для широкого применения рубинов
в научных исследованиях и в технике открылась с
изобретением рубинового лазера – прибора, в
котором рубиновый стержень служит мощным
источником света, испускаемого в виде тонкого
светового пучка. ( Слайд 26)
Композиционные материалы (железобетон,
железографит, стеклопластик, коллаген). ( Приложение 1).
III. Закрепление материала. ( Слайд 27,28)
1. Какими свойствами обладают кристаллические
тела?
2. Какими свойствами обладают аморфные тела?
3. Почему в природе не бывает кристаллов
шарообразной формы? (Вследствие анизотропии
роста.)
4. Почему в таблице температур плавления
различных веществ нет температуры плавления
стекла? (Стекло – аморфное тело и не имеет
определенной точки плавления.)
5. Что называют деформацией?
6. Какого вида деформации испытывают:
А) ножки скамейки (сжатие);
Б) сиденье стула (изгиб);
В) натянутая струна гитары (растяжение);
Г) винт мясорубки (кручение);
Д) сверло (кручение и сжатие);
Е) зубья пилы (сдвиг).
IV. Решение задач. ( Слайд29)
Какой диаметр должен иметь стальной трос
подъемного крана, если максимальная масса
поднимаемого груза равна 10 т? предел
прочности стальной проволоки 8,5 108 Па, запас
прочности должен быть равен 6.
Ответ: 3 см.
Чему равно абсолютное удлинение стального
троса длиной 10 м и площадью поперечного сечения
3см2 при подвешивании на него груза массой 6 т?
Модуль упругости стали равен 2 1011Па.
Ответ: 1 см.
V. Итоги урока. ( Слайд 30-33).
VI. Домашнее задание. ( Слайд 34).
Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно.
