Термин «аморфное» переводится с греческого буквально как «не вид», «не форма». Такие вещества не обладают кристаллической структурой, они не подвергаются расщеплению с формированием кристаллических граней. Как правило, аморфное тело изотропно, то есть его физические свойства не зависят от направления внешнего воздействия.
В течение определенного промежутка времени (месяцев, недель, дней) отдельные аморфные тела могут самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние. Так, например, можно наблюдать, как мед или сахарный леденец спустя некоторое время теряют прозрачность. В таких случаях обычно говорят, что продукты «засахарились». При этом, зачерпнув засахарившийся мед ложкой или разломив леденец, можно действительно наблюдать сформировавшиеся кристаллики сахара, которые ранее существовали в аморфном виде.
Такая самопроизвольная кристаллизация веществ указывает на разную степень устойчивости состояний. Таким образом, аморфное тело менее устойчиво.
Наряду с кристаллическими твердыми телами встречаются аморфные твердые тела. У аморфных тел в отличие от кристаллов нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи - располагаются в некотором порядке. Но
строгой повторяемости во всех направлениях одною того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис. 77, а). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис. 77, б).
Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны: их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам принадлежат стекло, многие пластмассы, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкостям. При кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердое тело и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Так, например, кусок смолы постепенно растекается по твердой поверхности. Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения
равновесия в другое. Никакой определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Физика твердого тела. Все свойства твердых тел (кристаллических и аморфных) могут быть объяснены на основе знания их атомно-молекулярной структуры и законов движения молекул, атомов, ионов и электронов, слагающих твердые тела. Исследования свойств твердых тел объединены в большой области современной физики - физики твердого тела. Развитие физики твердого тела стимулируется в основном потребностями техники. Приблизительно половина физиков мира работает в области физики твердого тела. Разумеется, достижения в этой области немыслимы без глубоких знаний всех остальных разделов физики.
1. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных? 2. Что такое анизотропия? 3. Приведите примеры монокристаллических, поликристал-лических и аморфных тел. 4. Чем отличаются краевые дислокации от винтовых?
Аморфные твердые тела по многим своим свойствам и главным образом по микроструктуре следует рассматривать как сильно переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Структура таких тел характеризуется только ближним порядком в расположении частиц. Некоторые из таких веществ вообще не способны кристаллизоваться: воск, сургуч, смолы. Другие при определённом режиме охлаждения образуют кристаллические структуры, но в случае быстрого охлаждения рост вязкость препятствует упорядочению в расположении частиц. Вещество затвердевает раньше, чем реализуется процесс кристаллизации. Такие тела называются стеклообразными: стекло, лёд. Процесс кристаллизации в таком веществе может произойти и после затвердевания (помутнение стёкол). К аморфным относят и твёрдые органические вещества: резина, дерево, кожа, пластмассы, шерстяные, хлопковые и шёлковые волокна. Процесс перехода таких веществ из жидкой фазы в твёрдую представлен на рис. – кривая I.
Аморфные тела не имеют температуры затвердевания (плавления). На графике Т = f(t) имеется точка перегиба, которую называют температурой размягчения. Снижение температуры приводит к постепенному росту вязкости. Такой характер перехода в твёрдое состояние, обуславливает отсутствие у аморфных веществ удельной теплоты плавления. Обратный переход, когда теплота подводится, происходит плавное размягчение до состояния жидкости.
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА.
Характерной особенностью микроструктуры кристаллов является пространственная периодичность их внутренних электрических полей и повторяемость в расположении кристаллообразующих частиц – атомов, ионов и молекул (дальний порядок). Частицы чередуются в определенном порядке вдоль прямых линий, которые называются узловыми. В любом плоском сечении кристалла две пересекающихся системы таких линий образуют совокупность совершенно одинаковых параллелограммов, которые плотно, без зазоров покрывают плоскость сечения. В пространстве пересечение трех некомпланарных систем таких линий образует пространственную сетку, которая разбивает кристалл на совокупность совершенно одинаковых параллелепипедов. Точки пересечения линий, образующих кристаллическую решетку называются узлами. Расстояния между узлами вдоль какого-то направления называется трансляциями или периодами решетки. Параллелепипед, построенный на трех некомпланарных трансляциях называется элементарной ячейкой или параллелепипедом повторяемости решетки. Важнейшим геометрическим свойством кристаллических решеток является симметрия в расположении частиц по отношению к определенным направлениям и плоскостям. По этой причине, хотя и существует несколько способов выбора элементарной ячейки, для данной кристаллической структуры, выбирают ее так, чтобы она соответствовала симметрии решетки.
Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Для монокристаллов наблюдается единая кристаллическая решетка в объеме всего тела. И хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть разной, углы между соответствующими гранями будут всегда одинаковыми. Характерной особенностью монокристаллов является анизотропия механических, тепловых, электрических, оптических и др. свойств.
Монокристаллы нередко встречаются в естественном состоянии в природе. Например, большинство минералов – хрусталь, изумруды, рубины. В настоящее время в производственных целях многие монокристаллы выращивают искусственно из растворов и расплавов - рубины, германий, кремний, арсенид галия.
Один и тот же химический элемент может образовать несколько, отличающихся по геометрии, кристаллических структур. Это явление получило название - полиморфизма. Например, углерод – графит и алмаз; лед пять модификаций и др.
Правильная внешняя огранка и анизотропия свойств, как правило, не проявляются для кристаллических тел. Это объясняется тем, что кристаллические твердые тела обычно состоят из множества беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. Такие твердые тела называются поликристаллическими. Связано это с механизмом кристаллизации: при достижении необходимых для этого процесса условий, очаги кристаллизации одновременно возникают во множестве мест исходной фазы. Зародившиеся кристаллы расположены и ориентированы друг по отношению к другу совершенно произвольно. По этой причине по окончании процесса мы получаем твердое тело в виде конгломерата сросшихся мелких кристалликов – кристаллитов.
С энергетической точки зрения различие между кристаллическими и аморфными твердыми телами хорошо прослеживаются в процессе отвердевания и плавления. Кристаллические тела имеют точку плавления – температуру, когда вещество устойчиво существует в двух фазах – твёрдой и жидкой (рис. кривая 2). Переход молекулы твердого тела в жидкость означает, что она приобретает дополнительно три степени свободы поступательного движения. Т.о. единица массы вещества при Т пл. в жидкой фазе имеет большую внутреннюю энергию, чем такая же масса в твердой фазе. Кроме того, меняется расстояние между частицами. Поэтому в целом количество теплоты необходимое для превращения единицы массы кристаллического вещества в жидкость будет:
λ = (U ж -U кр) + P (V ж -V кр),
где λ – удельная теплота плавления (кристаллизации), (U ж -U кр) – разность внутренних энергий жидкой и кристаллической фаз, Р – внешнее давление, (V ж -V кр) – разность удельных объемов. Согласно уравнению Клапейрона - Клаузиуса температура плавления зависит от давления:
Видно,
что если (V ж -V кр)>
0, то
>
0, т.е. с ростом давления температура
плавления повышается. Если же объем
вещества при плавлении уменьшается
(V ж -V кр)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
У аморфных тел теплота плавления отсутствует. Нагревание приводит к постепенному увеличению скорости теплового движения и уменьшению вязкости. На графике процесса имеется точка перегиба (рис.), которую условно называют температурой размягчения.
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тепловое движение в кристаллах из-за сильного взаимодействия ограничивается только колебаниями частиц около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний обычно не превращает 10 -11 м, т.е. составляет всего 5-7% периода решетки вдоль соответствующего направления. Характер этих колебаний весьма непрост, так как определяется силами взаимодействия колеблющейся частицы со всеми своими соседями.
Рост температуры означает увеличение энергии движения частиц. Это в свою очередь, означает увеличение амплитуды колебаний частиц и объясняет расширение кристаллических твердых тел при нагревании.
l t = l 0 (1 + αt 0),
где l t иl 0 – линейные размеры тела при температурахt 0 и 0 0 С, α – коэффици-ент линейного расширения. Для твёрдых тел α имеет порядок 10 -5 – 10 -6 К -1 . В результате линейного расширения увеличивается и объём тела:
V t = V 0 (1 + βt 0),
здесь β – коэффициент объёмного расширения. β = 3α в случае изотропного расширения. Монокристаллические тела, будучи анизотропными, имеют три разных значения α.
Каждая частица, совершающая колебания, имеет три степени свободы колебательного движения. Учитывая, что, кроме кинетической, частицы обладают еще и потенциальной энергией, на одну степень свободы частиц твёрдых тел следует приписать энергию ε = кТ. Теперь для внутренней энергии моля будем иметь:
U μ = 3N A kT = 3RT,
а для молярной теплоемкости:
Т.е. молярная теплоемкость химически простых кристаллических тел одинакова и не зависит от температуры. Это закон Дюлонга-Пти.
Как показал эксперимент, этот закон достаточно хорошо выполняется, начиная с комнатных температур. Объяснения отклонениям от закона Дюлонга-Пти при низких температурах были даны Эйнштейном и Дебаем в квантовой теории теплоемкости. Было показано, что энергия, которая приходится на одну степень свободы не является постоянной величиной, а зависит от температуры и частоты колебаний.
РЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ. ДЕФФЕКТЫ В КРИСТАЛАХ
Реальные кристаллы обладают рядом нарушений идеальной структуры, которые называются дефектами кристаллов:
а) точечные дефекты –
дефекты Шотки (незанятые частицами узлы);
дефекты Френкеля (смещение частиц из узлов в междуузлия);
примеси (внедренные чужеродные атомы);
б) линейные – краевые и винтовые дислокации. Это локальные нерегулярно
сти в расположения частиц
из-за недостроенности отдельных атомных плоскостей
или из-за нарушений в последовательности их застройки;
в) плоскостные – границы между кристаллитами, ряды линейных дислокаций.
В отличие от кристаллических твёрдых тел, в расположении частиц в аморфном теле нет строгого порядка.
Хотя аморфные твёрдые тела способны сохранять форму, кристаллической решётки у них нет. Некоторая закономерность наблюдается лишь для молекул и атомов, расположенных по соседству. Такой порядок называется ближним порядком . Он не повторяется по всем направлениям и не сохраняется на больших расстояниях, как у кристаллических тел.
Примеры аморфных тел - стекло, янтарь, искусственные смолы, воск, парафин, пластилин и др.
Атомы в аморфных телах совершают колебания вокруг точек, которые расположены хаотично. Поэтому структура этих тел напоминает структуру жидкостей. Но частицы в них менее подвижны. Время их колебания вокруг положения равновесия больше, чем в жидкостях. Перескоки атомов в другое положение также происходят намного реже.
Как ведут себя при нагревании твёрдые кристаллические тела? Они начинают плавиться при определённой температуре плавления . И некоторое время одновременно находятся в твёрдом и жидком состоянии, пока не расплавится всё вещество.
У аморфных тел определённой температуры плавления нет . При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются.
Положим кусок пластилина вблизи нагревательного прибора. Через какое-то время он станет мягким. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени.
Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). При обычных условиях течь они не могут. Но при нагревании перескоки атомов в них происходят чаще, уменьшается вязкость, и аморфные тела постепенно размягчаются. Чем выше температура, тем меньше вязкость, и постепенно аморфное тело становится жидким.
Обычное стекло - твёрдое аморфное тело. Его получают, расплавляя оксид кремния, соду и известь. Нагрев смесь до 1400 о С, получают жидкую стекловидную массу. При охлаждении жидкое стекло не затвердевает, как кристаллические тела, а остаётся жидкостью, вязкость которой увеличивается, а текучесть уменьшается. При обычных условиях оно кажется нам твёрдым телом. Но на самом деле это жидкость, которая имеет огромную вязкость и текучесть, настолько малую, что она едва различается самыми сверхчувствительными приборами.
Аморфное состоянием вещества неустойчиво. Со временем из аморфного состояния оно постепенно переходит в кристаллическое. Этот процесс в разных веществах проходит с разной скоростью. Мы видим, как покрываются кристаллами сахара леденцы. Для этого нужно не очень много времени.
А для того чтобы кристаллы образовались в обычном стекле, времени должно пройти немало. При кристаллизации стекло теряет свою прочность, прозрачность, мутнеет, становится хрупким.
В кристаллических твёрдых телах физические свойства различаются в разных направлениях. А в аморфных телах они по всем направлениям одинаковы. Это явление называют изотропностью .
Аморфное тело одинаково проводит электричество и теплоту по всем направлениям, одинаково преломляет свет. Звук также одинаково распространяются в аморфных телах по всем направлениям.
Свойства аморфных веществ используются в современных технологиях. Особый интерес вызывают металлические сплавы, которые не имеют кристаллической структуры и относятся к твёрдым аморфным телам. Их называют металлическими стёклами . Их физические, механические, электрические и другие свойства отличаются от аналогичных свойств обычных металлов в лучшую сторону.
Так, в медицине используют аморфные сплавы, прочность которых превышает прочность титана. Из них делают винты или пластины, которыми соединяют сломанные кости. В отличие от титановых деталей крепления этот материал постепенно распадается и со временем заменяется костным материалом.
Применяют высокопрочные сплавы при изготовлении металлорежущих инструментов, арматуры, пружин, деталей механизмов.
В Японии разработан аморфный сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью. Применив его в сердечниках трансформаторов вместо текстурованных листов трансформаторной стали, можно снизить потери на вихревых токах в 20 раз.
Аморфные металлы обладают уникальными свойствами. Их называют материалом будущего.
Твердые тела разделяют на аморфные и кристаллические, в зависимости от их молекулярной структуры и физических свойств.
В отличие от кристаллов молекулы и атомы аморфных твердых тел не формируют решетку, а расстояние между ними колеблется в пределах некоторого интервала возможных расстояний. Иначе говоря, у кристаллов атомы или молекулы взаимно расположены таким образом, что формируемая структура может повторяться во всем объеме тела, что называется дальним порядком. В случае же с аморфными телами – сохраняется структура молекул лишь относительно каждой одной такой молекулы, наблюдается закономерность в распределении только соседних молекул – ближний порядок. Наглядный пример представлен ниже.
К аморфным телам относится стекло и другие вещества в стеклообразном состоянии, канифоль, смолы, янтарь, сургуч, битум, воск, а также органические вещества: каучук, кожа, целлюлоза, полиэтилен и др.
Особенность строения аморфных твердых тел придает им индивидуальные свойства:
В природе существуют жидкости, которые практически невозможно перевести в кристаллическое состояние посредством охлаждения, так как сложность молекул этих веществ не позволяет им образовать регулярную кристаллическую решетку. К таким жидкостям относятся молекулы некоторых органических полимеров.
Однако, при помощи глубокого и быстрого охлаждения, практически любое вещество способно перейти в стеклообразное состояние. Это такое аморфное состояние, которое не имеет явной кристаллической решетки, но может частично кристаллизироваться, в масштабах малых кластеров. Данное состояние вещества является метастабильным, то есть сохраняется при некоторых требуемых термодинамических условиях.
При помощи технологии охлаждения с определенной скоростью вещество не будет успевать кристаллизоваться, и преобразуется в стекло. То есть чем выше скорость охлаждения материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. Так, например, для изготовления металлических стекол потребуется скорость охлаждения, равная 100 000 – 1 000 000 Кельвин в секунду.
В природе вещество существует в стеклообразном состоянии возникает из жидкой вулканической магмы, которая, взаимодействуя с холодной водой или воздухом, быстро охлаждается. В данном случае вещество зовется вулканическим стеклом. Также можно наблюдать стекло, образованная в результате плавления падающего метеорита, взаимодействующего с атмосферой – метеоритное стекло или молдавит.
