Um corpo sólido é um dos quatro estados fundamentais da matéria, além de líquido, gás e plasma. Caracteriza-se pela rigidez estrutural e resistência a mudanças de forma ou volume. Ao contrário de um líquido, um objeto sólido não flui ou assume a forma do recipiente em que é colocado. Um sólido não se expande para preencher seu volume disponível, como um gás.
átomos em corpo sólido estão intimamente relacionados entre si, estão em um estado ordenado nos nós estrutura de cristal(estes são metais, gelo comum, açúcar, sal, diamante), ou estão dispostos de forma irregular, não têm repetibilidade estrita na estrutura da rede cristalina (estes são corpos amorfos, como vidro de janela, resina, mica ou plástico).
Os sólidos ou cristais cristalinos têm um característica intrínseca- uma estrutura na forma de uma rede cristalina na qual átomos, moléculas ou íons de uma substância ocupam uma determinada posição.
A rede cristalina leva à existência de faces planas especiais nos cristais que distinguem uma substância da outra. Quando exposta aos raios X, cada rede cristalina emite um padrão característico que pode ser usado para identificar uma substância. As faces dos cristais se cruzam em certos ângulos que distinguem uma substância da outra. Se o cristal for dividido, as novas faces se cruzarão nos mesmos ângulos que a original.
Por exemplo, galena - galena, pirita - pirita, quartzo - quartzo. Faces de cristal se cruzam em ângulos retos em galena (PbS) e pirita (FeS 2), em outros ângulos em quartzo.
Exemplos de corpos amorfos que não possuem uma estrutura estrita e repetibilidade das células da rede cristalina são: vidro, resina, teflon, poliuretano, naftaleno, cloreto de polivinila.
Eles têm duas propriedades características: isotropia e ausência de um ponto de fusão específico.
A isotropia dos corpos amorfos é entendida como a mesmice das propriedades físicas de uma substância em todas as direções.
Em um sólido amorfo, a distância até os nós vizinhos da rede cristalina e o número de nós vizinhos variam ao longo do material. Portanto, para quebrar as interações intermoleculares, é necessário quantidade diferente energia térmica. Consequentemente, as substâncias amorfas amolecem lentamente em uma ampla faixa de temperatura e não possuem um ponto de fusão claro.
Uma característica dos sólidos amorfos é que quando Baixas temperaturas eles têm as propriedades dos sólidos e, com o aumento da temperatura - as propriedades dos líquidos.
A maioria das substâncias em clima temperado A terra está em estado sólido. Corpos sólidos retêm não apenas sua forma, mas também seu volume.
De acordo com a natureza do arranjo relativo das partículas, os sólidos são divididos em três tipos: cristalinos, amorfos e compósitos.
corpos amorfos. O vidro, várias resinas endurecidas (âmbar), plásticos, etc. podem servir como exemplos de corpos amorfos.Se um corpo amorfo é aquecido, ele amolece gradualmente e a transição para o estado líquido ocupa uma faixa de temperatura significativa.
A semelhança com os líquidos é explicada pelo fato de que os átomos e moléculas de corpos amorfos, como as moléculas de um líquido, têm um tempo de "vida estabilizada". Não há ponto de fusão específico, então corpos amorfos podem ser considerados como superresfriamento de um líquido com viscosidade muito alta. A ausência de ordem de longo alcance no arranjo de átomos de corpos amorfos leva ao fato de que a substância no estado amorfo tem uma densidade menor do que no estado cristalino.
A desordem no arranjo de átomos de corpos amorfos leva ao fato de que a distância média entre átomos em direções diferentes é a mesma, portanto, são isotrópicos, ou seja, todos propriedades físicas(mecânica, óptica, etc.) não dependem da direção da influência externa. Um sinal de um corpo amorfo é a forma irregular da superfície em uma ruptura. Após um longo período de tempo, corpos amorfos por acidente ainda mudam de forma sob a influência da gravidade. Desta forma, eles são como líquidos. Com o aumento da temperatura, essa mudança de forma ocorre mais rapidamente. O estado amorfo é instável, ocorre uma transição do estado amorfo para o estado cristalino. (O vidro borra.)
corpos cristalinos. Na presença de periodicidade no arranjo dos átomos (ordem de longo alcance), o sólido é cristalino.
Se você observar os grãos de sal com uma lupa ou microscópio, notará que eles são limitados por faces planas. A presença de tais rostos é um sinal de estar em estado cristalino.
Um corpo que é um único cristal é chamado de um único cristal. A maioria dos corpos cristalinos consiste em muitos pequenos cristais dispostos aleatoriamente que cresceram juntos. Esses corpos são chamados de policristais. Um torrão de açúcar é um corpo policristalino. Cristais de várias substâncias têm uma variedade de formas. Os tamanhos dos cristais também variam. Os tamanhos dos cristais do tipo policristalino podem mudar ao longo do tempo. Pequenos cristais de ferro se transformam em grandes, esse processo é acelerado por impactos e concussões, ocorre em pontes de aço, trilhos ferroviários, etc., a partir dos quais a resistência da estrutura diminui ao longo do tempo.
Tantos corpos são iguais composição química no estado cristalino, dependendo das condições, podem existir em duas ou mais variedades. Essa propriedade é chamada de polimorfismo. Ice tem até dez modificações. Polimorfismo de carbono - grafite e diamante.
Uma propriedade essencial de um único cristal é a anisotropia - a dissimilaridade de suas propriedades (elétricas, mecânicas, etc.) em diferentes direções.
Poli corpos cristalinos são isotrópicos, ou seja, exibem as mesmas propriedades em todas as direções. Isso é explicado pelo fato de que os cristais que compõem um corpo policristalino são orientados aleatoriamente um em relação ao outro. Como resultado, nenhuma das direções é diferente das outras.
Foram criados materiais compósitos, cujas propriedades mecânicas são superiores às dos materiais naturais. Materiais compostos (compósitos) consistem em uma matriz e enchimentos. Materiais poliméricos, metálicos, de carbono ou cerâmicos são usados como matriz. Os enchimentos podem consistir em bigodes, fibras ou arame. Em particular, os materiais compósitos incluem concreto armado e grafite de ferro.
O concreto armado é um dos principais tipos de materiais de construção. É uma combinação de concreto e reforço de aço.
A grafite de ferro é um material cerâmico-metal constituído por ferro (95-98%) e grafite (2-5%). Rolamentos, buchas para várias unidades de máquinas e mecanismos são feitos a partir dele.
A fibra de vidro também é um material compósito, que é uma mistura de fibras de vidro e resina endurecida.
Os ossos humanos e animais são um material composto que consiste em dois componentes completamente diferentes: colágeno e matéria mineral.
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Além dos sólidos que possuem uma estrutura cristalina, caracterizada por uma ordem estrita no arranjo dos átomos, existem sólidos amorfos.
Os corpos amorfos não têm uma ordem estrita no arranjo dos átomos. Apenas os átomos-vizinhos mais próximos estão dispostos em alguma ordem. Mas não há repetição estrita em todas as direções do mesmo elemento estrutural, que é característico dos cristais, em corpos amorfos. De acordo com o arranjo dos átomos e seu comportamento, os corpos amorfos são semelhantes aos líquidos. Muitas vezes, a mesma substância pode estar em um estado cristalino e amorfo.
Estudos teóricos levam à produção de sólidos, cujas propriedades são bastante incomuns. Seria impossível obter tais órgãos por tentativa e erro. A criação de transistores, que será discutida mais tarde, - um excelente exemplo como a compreensão da estrutura dos sólidos levou a uma revolução em toda a engenharia de rádio.
A obtenção de materiais com propriedades mecânicas, magnéticas, elétricas e outras especificadas é uma das principais direções da moderna física do estado sólido.
Ao contrário dos sólidos cristalinos, não há uma ordem estrita no arranjo das partículas em um corpo amorfo.
Embora os sólidos amorfos sejam capazes de manter sua forma, eles não possuem uma rede cristalina. Alguma regularidade é observada apenas para moléculas e átomos localizados na vizinhança. Essa ordem é chamada ordem de curto alcance . Não se repete em todas as direções e não é preservado a longas distâncias, como nos corpos cristalinos.
Exemplos de corpos amorfos são vidro, âmbar, resina artificial, cera, parafina, plasticina, etc.
Átomos em corpos amorfos oscilam em torno de pontos que estão localizados aleatoriamente. Portanto, a estrutura desses corpos se assemelha à estrutura dos líquidos. Mas as partículas neles são menos móveis. O tempo de sua oscilação em torno da posição de equilíbrio é maior do que nos líquidos. Saltos de átomos para outra posição também ocorrem com muito menos frequência.
Como os sólidos cristalinos se comportam quando aquecidos? Eles começam a derreter em um determinado ponto de fusão. E por algum tempo eles estão simultaneamente em estado sólido e líquido, até que toda a substância seja derretida.
Corpos amorfos não têm um ponto de fusão específico. . Quando aquecidos, eles não derretem, mas amolecem gradualmente.
Coloque um pedaço de plasticina perto aquecedor. Depois de um tempo ele ficará macio. Isso não acontece instantaneamente, mas ao longo de um período de tempo.
Como as propriedades dos corpos amorfos são semelhantes às dos líquidos, eles são considerados líquidos super-resfriados com uma viscosidade muito alta (líquidos solidificados). No condições normais eles não podem fluir. Mas quando aquecidos, os saltos de átomos neles ocorrem com mais frequência, a viscosidade diminui e os corpos amorfos gradualmente amolecem. Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade e, gradualmente, o corpo amorfo se torna líquido.
O vidro comum é um corpo amorfo sólido. É obtido pela fusão de óxido de silício, soda e cal. Aquecendo a mistura a 1400 cerca de C, obtém-se uma massa vítrea líquida. Ao resfriar vidro líquido não solidifica, como os corpos cristalinos, mas permanece um líquido, cuja viscosidade aumenta e a fluidez diminui. Em condições normais, parece-nos um corpo sólido. Mas na verdade é um líquido que tem uma enorme viscosidade e fluidez, tão pequena que dificilmente pode ser distinguida pelos instrumentos mais ultrassensíveis.
O estado amorfo da matéria é instável. Com o tempo, de um estado amorfo, gradualmente se transforma em cristalino. Este processo em substâncias diferentes passa desde velocidade diferente. Vemos como os cristais de açúcar cobrem os doces de açúcar. Isso não leva muito tempo.
E para que os cristais se formem no vidro comum, muito tempo deve passar. Durante a cristalização, o vidro perde sua resistência, transparência, torna-se turvo e quebradiço.
Em sólidos cristalinos, as propriedades físicas diferem em direções diferentes. E em corpos amorfos eles são os mesmos em todas as direções. Esse fenômeno é chamado isotropia .
Um corpo amorfo conduz igualmente eletricidade e calor em todas as direções e refrata a luz igualmente. O som também se propaga igualmente em corpos amorfos em todas as direções.
Propriedades substâncias amorfas usado em tecnologias modernas. De particular interesse são as ligas metálicas que não possuem estrutura cristalina e são sólidos amorfos. Eles são chamados óculos de metal . Suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e outras diferem das propriedades semelhantes dos metais convencionais para melhor.
Assim, na medicina, são usadas ligas amorfas, cuja resistência excede a do titânio. Eles são usados para fazer parafusos ou placas que conectam ossos quebrados. Ao contrário dos fixadores de titânio, este material se desintegra gradualmente e é substituído por material ósseo ao longo do tempo.
As ligas de alta resistência são utilizadas na fabricação de ferramentas de corte de metais, conexões, molas e peças de mecanismos.
Uma liga amorfa com alta permeabilidade magnética foi desenvolvida no Japão. Ao usá-lo em núcleos de transformadores em vez de chapas de aço texturizadas de transformadores, as perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas em um fator de 20.
Os metais amorfos têm propriedades únicas. Eles são chamados de material do futuro.
Junto com sólidos cristalinos, existem sólidos amorfos. Os corpos amorfos, ao contrário dos cristais, não têm uma ordem estrita no arranjo dos átomos. Apenas os átomos mais próximos - vizinhos - são organizados em alguma ordem. Mas
não há repetição estrita em todas as direções do mesmo elemento estrutural, que é característico dos cristais, em corpos amorfos.
Muitas vezes, a mesma substância pode estar em um estado cristalino e amorfo. Por exemplo, o quartzo pode estar na forma cristalina e amorfa (sílica). A forma cristalina do quartzo pode ser representada esquematicamente como uma rede de hexágonos regulares (Fig. 77, a). A estrutura amorfa do quartzo também tem a forma de uma treliça, mas forma irregular. Junto com hexágonos, contém pentágonos e heptágonos (Fig. 77, b).
Propriedades dos corpos amorfos. Todos os corpos amorfos são isotrópicos: suas propriedades físicas são as mesmas em todas as direções. Corpos amorfos incluem vidro, muitos plásticos, resina, colofónia, doces de açúcar, etc.
Sob influências externas, corpos amorfos exibem propriedades elásticas, como sólidos, e fluidez, como líquidos. Com impactos de curto prazo (impactos), eles se comportam como um corpo sólido e, com um forte impacto, quebram-se em pedaços. Mas com uma exposição muito longa, os corpos amorfos fluem. Assim, por exemplo, um pedaço de resina se espalha gradualmente sobre uma superfície sólida. Átomos ou moléculas de corpos amorfos, como moléculas líquidas, têm um certo tempo de "vida estabilizada" - o tempo de oscilações em torno da posição de equilíbrio. Mas, ao contrário dos líquidos, eles têm um tempo muito longo. A este respeito, os corpos amorfos estão próximos dos cristalinos, uma vez que raramente ocorrem saltos de átomos de uma posição de equilíbrio para outra.
Em baixas temperaturas, corpos amorfos se assemelham a corpos sólidos em suas propriedades. Eles quase não têm fluidez, mas à medida que a temperatura aumenta, eles gradualmente amolecem e suas propriedades se aproximam cada vez mais das dos líquidos. Isso ocorre porque, à medida que a temperatura aumenta, saltos de átomos de uma posição gradualmente se tornam mais frequentes.
equilíbrio para outro. Os corpos amorfos, ao contrário dos cristalinos, não possuem ponto de fusão específico.
Física corpo sólido. Todas as propriedades dos sólidos (cristalinos e amorfos) podem ser explicadas com base no conhecimento de sua estrutura atômica e molecular e nas leis do movimento das moléculas, átomos, íons e elétrons que compõem os sólidos. Estudos das propriedades dos sólidos são combinados em grande área física moderna - física do estado sólido. O desenvolvimento da física do estado sólido é estimulado principalmente pelas necessidades da tecnologia. Aproximadamente metade dos físicos do mundo trabalha no campo da física do estado sólido. É claro que conquistas nessa área são impensáveis sem um conhecimento profundo de todos os outros ramos da física.
1. Como os corpos cristalinos diferem dos amorfos? 2. O que é anisotropia? 3. Dê exemplos de corpos monocristalinos, policristalinos e amorfos. 4. Como as discordâncias de borda diferem das de parafuso?
