Un corpo solido è uno dei quattro stati fondamentali della materia, a parte liquido, gas e plasma. È caratterizzato da rigidità strutturale e resistenza ai cambiamenti di forma o volume. A differenza di un liquido, un oggetto solido non scorre né assume la forma del contenitore in cui è collocato. Un solido non si espande per riempire il suo volume disponibile, come fa un gas.
atomi dentro corpo solido sono strettamente correlati tra loro, sono in uno stato ordinato ai nodi reticolo cristallino(questi sono metalli, ghiaccio normale, zucchero, sale, diamante), o sono disposti in modo irregolare, non hanno una ripetibilità rigorosa nella struttura del reticolo cristallino (si tratta di corpi amorfi come vetri di finestre, colofonia, mica o plastica).
I solidi cristallini o i cristalli hanno un carattere distintivo caratteristica intrinseca- una struttura a forma di reticolo cristallino in cui atomi, molecole o ioni di una sostanza occupano una determinata posizione.
Il reticolo cristallino porta all'esistenza di speciali facce piatte nei cristalli che distinguono una sostanza dall'altra. Quando esposto ai raggi X, ogni reticolo cristallino emette uno schema caratteristico che può essere utilizzato per identificare una sostanza. Le facce dei cristalli si intersecano a certi angoli che distinguono una sostanza da un'altra. Se il cristallo è diviso, le nuove facce si intersecheranno con gli stessi angoli di quella originale.
Ad esempio, galena - galena, pirite - pirite, quarzo - quarzo. Le facce di cristallo si intersecano ad angolo retto in galena (PbS) e pirite (FeS 2), ad altri angoli in quarzo.
Esempi di corpi amorfi che non hanno una struttura rigida e ripetibilità delle celle del reticolo cristallino sono: vetro, resina, teflon, poliuretano, naftalene, polivinilcloruro.
Hanno due proprietà caratteristiche: l'isotropia e l'assenza di un punto di fusione specifico.
L'isotropia dei corpi amorfi è intesa come l'uniformità delle proprietà fisiche di una sostanza in tutte le direzioni.
In un solido amorfo, la distanza dai nodi vicini del reticolo cristallino e il numero di nodi vicini varia in tutto il materiale. Pertanto, per interrompere le interazioni intermolecolari, è necessario quantità diversa energia termica. Di conseguenza, le sostanze amorfe si ammorbidiscono lentamente in un ampio intervallo di temperature e non hanno un chiaro punto di fusione.
Una caratteristica dei solidi amorfi è che quando basse temperature hanno le proprietà dei solidi e, all'aumentare della temperatura, le proprietà dei liquidi.
La maggior parte delle sostanze contenute clima temperato La terra è allo stato solido. I corpi solidi conservano non solo la loro forma, ma anche il loro volume.
Secondo la natura della disposizione relativa delle particelle, i solidi sono divisi in tre tipi: cristallini, amorfi e compositi.
corpi amorfi. Come esempi di corpi amorfi possono servire vetro, varie resine indurite (ambra), plastica, ecc.Se un corpo amorfo viene riscaldato, si ammorbidisce gradualmente e il passaggio allo stato liquido occupa un intervallo di temperatura significativo.
La somiglianza con i liquidi è spiegata dal fatto che gli atomi e le molecole dei corpi amorfi, come le molecole di un liquido, hanno un tempo di "vita stabilizzata". Non esiste un punto di fusione specifico, quindi i corpi amorfi possono essere considerati come il superraffreddamento di un liquido con una viscosità molto elevata. L'assenza di un ordine a lungo raggio nella disposizione degli atomi dei corpi amorfi porta al fatto che la sostanza nello stato amorfo ha una densità inferiore rispetto allo stato cristallino.
Il disordine nella disposizione degli atomi di corpi amorfi porta al fatto che la distanza media tra atomi in direzioni diverse è la stessa, quindi sono isotropi, cioè tutti Proprietà fisiche(meccanico, ottico, ecc.) non dipendono dalla direzione dell'influenza esterna. Segno di un corpo amorfo è la forma irregolare della superficie a rottura. Dopo un lungo periodo di tempo, i corpi amorfi per caso cambiano ancora la loro forma sotto l'influenza della gravità. In questo modo sono come liquidi. Con l'aumento della temperatura, questo cambiamento di forma si verifica più velocemente. Lo stato amorfo è instabile, si verifica una transizione dallo stato amorfo allo stato cristallino. (Il vetro si sfoca.)
corpi cristallini. In presenza di periodicità nella disposizione degli atomi (ordine a lungo raggio), il solido è cristallino.
Se guardi i granelli di sale con una lente d'ingrandimento o un microscopio, noterai che sono limitati da facce piatte. La presenza di tali volti è segno di essere in uno stato cristallino.
Un corpo che è un cristallo singolo è chiamato cristallo singolo. La maggior parte dei corpi cristallini è costituita da molti piccoli cristalli disposti casualmente che sono cresciuti insieme. Tali corpi sono chiamati policristalli. Una zolletta di zucchero è un corpo policristallino. I cristalli di varie sostanze hanno una varietà di forme. Anche le dimensioni dei cristalli variano. Le dimensioni dei cristalli di tipo policristallino possono cambiare nel tempo. Piccoli cristalli di ferro si trasformano in grandi, questo processo è accelerato da urti e commozioni, si verifica in ponti in acciaio, rotaie ferroviarie, ecc., Da cui la resistenza della struttura diminuisce nel tempo.
Così tanti corpi sono gli stessi Composizione chimica allo stato cristallino, a seconda delle condizioni, possono esistere in due o più varietà. Questa proprietà è chiamata polimorfismo. Ice ha fino a dieci modifiche. Polimorfismo del carbonio - grafite e diamante.
Una proprietà essenziale di un singolo cristallo è l'anisotropia: la diversità delle sue proprietà (elettriche, meccaniche, ecc.) In direzioni diverse.
Poli corpi cristallini sono isotropi, cioè mostrano le stesse proprietà in tutte le direzioni. Ciò è spiegato dal fatto che i cristalli che compongono un corpo policristallino sono orientati casualmente l'uno rispetto all'altro. Di conseguenza, nessuna delle direzioni è diversa dalle altre.
Sono stati creati materiali compositi, le cui proprietà meccaniche sono superiori ai materiali naturali. Materiali compositi (compositi) sono costituiti da una matrice e riempitivi. Come matrice vengono utilizzati materiali polimerici, metallici, di carbonio o ceramici. I riempitivi possono essere costituiti da baffi, fibre o filo. In particolare, i materiali compositi comprendono il cemento armato e la grafite di ferro.
Il cemento armato è uno dei principali tipi di materiali da costruzione. È una combinazione di cemento e rinforzo in acciaio.
La grafite di ferro è un materiale ceramico-metallico costituito da ferro (95-98%) e grafite (2-5%). Da esso sono ricavati cuscinetti, boccole per varie unità di macchine e meccanismi.
La fibra di vetro è anche un materiale composito, che è una miscela di fibre di vetro e resina indurita.
Le ossa umane e animali sono un materiale composito costituito da due componenti completamente diversi: collagene e materia minerale.
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Oltre ai solidi che hanno una struttura cristallina, caratterizzata da un rigoroso ordine nella disposizione degli atomi, ci sono solidi amorfi.
I corpi amorfi non hanno un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi vicini più vicini sono disposti in un certo ordine. Ma non c'è una ripetizione rigorosa in tutte le direzioni dello stesso elemento strutturale, che è caratteristico dei cristalli, nei corpi amorfi. Secondo la disposizione degli atomi e il loro comportamento, i corpi amorfi sono simili ai liquidi. Spesso la stessa sostanza può trovarsi sia in uno stato cristallino che amorfo.
Gli studi teorici portano alla produzione di solidi, le cui proprietà sono piuttosto insolite. Sarebbe impossibile ottenere tali organismi per tentativi ed errori. La creazione di transistor, che sarà discussa in seguito, - un ottimo esempio come la comprensione della struttura dei solidi abbia portato a una rivoluzione in tutta l'ingegneria radiofonica.
L'ottenimento di materiali con specifiche proprietà meccaniche, magnetiche, elettriche e di altro tipo è una delle direzioni principali della moderna fisica dello stato solido.
A differenza dei solidi cristallini, non esiste un ordine rigoroso nella disposizione delle particelle in un corpo amorfo.
Sebbene i solidi amorfi siano in grado di mantenere la loro forma, non hanno un reticolo cristallino. Una certa regolarità si osserva solo per molecole e atomi situati nelle vicinanze. Questo ordine è chiamato ordine a corto raggio . Non si ripete in tutte le direzioni e non si conserva su lunghe distanze, come nei corpi cristallini.
Esempi di corpi amorfi sono il vetro, l'ambra, resina artificiale, cera, paraffina, plastilina, ecc.
Gli atomi nei corpi amorfi oscillano attorno a punti che si trovano casualmente. Pertanto, la struttura di questi corpi ricorda la struttura dei liquidi. Ma le particelle in esse contenute sono meno mobili. Il tempo della loro oscillazione attorno alla posizione di equilibrio è più lungo che nei liquidi. Anche i salti di atomi in un'altra posizione si verificano molto meno frequentemente.
Come si comportano i solidi cristallini quando riscaldati? Cominciano a sciogliersi ad un certo punto punto di fusione. E per qualche tempo sono contemporaneamente allo stato solido e liquido, fino a quando tutta la sostanza non si è sciolta.
I corpi amorfi non hanno un punto di fusione specifico. . Una volta riscaldati, non si sciolgono, ma si ammorbidiscono gradualmente.
Metti un pezzo di plastilina vicino stufa. Dopo un po' diventerà morbido. Questo non accade istantaneamente, ma per un periodo di tempo.
Poiché le proprietà dei corpi amorfi sono simili a quelle dei liquidi, sono considerati liquidi superraffreddati ad altissima viscosità (liquidi solidificati). In condizioni normali non possono fluire. Ma quando riscaldati, si verificano più spesso salti di atomi in essi, la viscosità diminuisce e i corpi amorfi si ammorbidiscono gradualmente. Maggiore è la temperatura, minore è la viscosità e gradualmente il corpo amorfo diventa liquido.
Il vetro ordinario è un solido corpo amorfo. Si ottiene fondendo ossido di silicio, soda e calce. Riscaldando la miscela a 1400 circa C, ottenere una massa vitrea liquida. Durante il raffreddamento vetro liquido non si solidifica, come i corpi cristallini, ma rimane un liquido, la cui viscosità aumenta e la fluidità diminuisce. In condizioni ordinarie, ci appare come un corpo solido. Ma in realtà è un liquido che ha una viscosità e una fluidità enormi, così piccole che difficilmente si può distinguere dagli strumenti più ultrasensibili.
Lo stato amorfo della materia è instabile. Col tempo, da uno stato amorfo, si trasforma gradualmente in uno cristallino. Questo processo in sostanze diverse passa da allora velocità diversa. Vediamo come i cristalli di zucchero ricoprono le caramelle di zucchero. Questo non richiede molto tempo.
E affinché i cristalli si formino nel normale vetro, deve passare molto tempo. Durante la cristallizzazione, il vetro perde forza, trasparenza, diventa torbido e diventa fragile.
Nei solidi cristallini, le proprietà fisiche differiscono in direzioni diverse. E nei corpi amorfi sono gli stessi in tutte le direzioni. Questo fenomeno si chiama isotropia .
Un corpo amorfo conduce equamente elettricità e calore in tutte le direzioni e rifrange la luce allo stesso modo. Il suono si propaga ugualmente nei corpi amorfi in tutte le direzioni.
Proprietà sostanze amorfe usato in moderne tecnologie. Di particolare interesse sono le leghe metalliche che non hanno una struttura cristallina e sono solidi amorfi. Sono chiamati occhiali di metallo . Le loro proprietà fisiche, meccaniche, elettriche e di altro tipo differiscono in meglio dalle proprietà simili dei metalli convenzionali.
Quindi, in medicina, vengono utilizzate leghe amorfe, la cui forza supera quella del titanio. Sono usati per realizzare viti o piastre che collegano le ossa rotte. A differenza degli elementi di fissaggio in titanio, questo materiale si disintegra gradualmente e nel tempo viene sostituito da materiale osseo.
Le leghe ad alta resistenza sono utilizzate nella produzione di utensili per il taglio dei metalli, raccordi, molle e parti di meccanismi.
In Giappone è stata sviluppata una lega amorfa ad alta permeabilità magnetica. Usandolo nei nuclei dei trasformatori invece delle lamiere di acciaio testurizzate, le perdite di correnti parassite possono essere ridotte di un fattore 20.
I metalli amorfi hanno proprietà uniche. Sono chiamati il materiale del futuro.
Insieme ai solidi cristallini, ci sono solidi amorfi. I corpi amorfi, a differenza dei cristalli, non hanno un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi più vicini - vicini - sono disposti in un certo ordine. Ma
non c'è ripetizione rigorosa in tutte le direzioni dello stesso elemento strutturale, che è caratteristico dei cristalli, nei corpi amorfi.
Spesso la stessa sostanza può trovarsi sia in uno stato cristallino che amorfo. Ad esempio, il quarzo può essere sia in forma cristallina che amorfa (silice). La forma cristallina del quarzo può essere schematicamente rappresentata come un reticolo di esagoni regolari (Fig. 77, a). La struttura amorfa del quarzo ha anche la forma di un reticolo, ma forma irregolare. Insieme agli esagoni, contiene pentagoni ed ettagoni (Fig. 77, b).
Proprietà dei corpi amorfi. Tutti i corpi amorfi sono isotropi: le loro proprietà fisiche sono le stesse in tutte le direzioni. I corpi amorfi includono vetro, molte materie plastiche, resina, colofonia, zucchero candito, ecc.
Sotto le influenze esterne, i corpi amorfi mostrano sia proprietà elastiche, come i solidi, che fluidità, come i liquidi. Con impatti a breve termine (impatti), si comportano come un corpo solido e, con un forte impatto, si rompono in pezzi. Ma con una lunghissima esposizione scorrono corpi amorfi. Quindi, ad esempio, un pezzo di resina si diffonde gradualmente su una superficie solida. Gli atomi o le molecole di corpi amorfi, come le molecole liquide, hanno un certo tempo di "vita stabilizzata" - il tempo delle oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio. Ma a differenza dei liquidi, hanno un tempo molto lungo. Sotto questo aspetto, i corpi amorfi sono vicini a quelli cristallini, poiché raramente si verificano salti di atomi da una posizione di equilibrio all'altra.
A basse temperature, i corpi amorfi assomigliano ai corpi solidi nelle loro proprietà. Non hanno quasi fluidità, ma all'aumentare della temperatura si ammorbidiscono gradualmente e le loro proprietà si avvicinano sempre di più a quelle dei liquidi. Questo perché all'aumentare della temperatura, i salti di atomi da una posizione diventano gradualmente più frequenti.
equilibrio all'altro. I corpi amorfi, a differenza di quelli cristallini, non hanno un punto di fusione specifico.
Fisica corpo solido. Tutte le proprietà dei solidi (cristallini e amorfi) possono essere spiegate sulla base della conoscenza della loro struttura atomica e molecolare e delle leggi del moto di molecole, atomi, ioni ed elettroni che compongono i solidi. Gli studi sulle proprietà dei solidi sono combinati in vasta area fisica moderna - fisica dello stato solido. Lo sviluppo della fisica dello stato solido è stimolato principalmente dalle esigenze della tecnologia. Circa la metà dei fisici mondiali lavora nel campo della fisica dello stato solido. Naturalmente, i risultati in quest'area sono impensabili senza una profonda conoscenza di tutte le altre branche della fisica.
1. In che cosa differiscono i corpi cristallini da quelli amorfi? 2. Che cos'è l'anisotropia? 3. Fornire esempi di corpi monocristallini, policristallini e amorfi. 4. In che modo le dislocazioni dei bordi differiscono da quelle delle viti?
