Amorfna telesa Lastnosti amorfnih teles. Taljenje amorfnih snovi

>>Fizika: Amorfna telesa

Vse trdne snovi niso kristali. Obstaja veliko amorfnih teles. Kako se razlikujejo od kristalov?
Amorfna telesa nimajo strogega reda v razporeditvi atomov. Samo najbližji sosednji atomi so razporejeni v nekem vrstnem redu. Toda stroge ponovljivosti v vse smeri istega strukturnega elementa, ki je značilna za kristale, v amorfnih telesih ni.
Po razporeditvi atomov in obnašanju so amorfna telesa podobna tekočinam.
Pogosto lahko isto snov najdemo tako v kristalnem kot v amorfnem stanju. Na primer, kremen SiO 2 je lahko v kristalni ali amorfni obliki (silicijev dioksid). Kristalno obliko kremena lahko shematično predstavimo kot mrežo pravilnih šesterokotnikov ( Slika 12.6, a). Tudi amorfna struktura kremena ima videz mreže, vendar nepravilne oblike. Poleg šesterokotnikov vsebuje še petkotnike in sedemkotnike ( Slika 12.6, b).
Lastnosti amorfnih teles. Vsa amorfna telesa so izotropna, kar pomeni, da so njihove fizikalne lastnosti v vseh smereh enake. Amorfna telesa vključujejo steklo, smolo, kolofonijo, sladkorne bonbone itd.
Pod zunanjimi vplivi kažejo amorfna telesa elastične lastnosti, kot trdne snovi, in fluidne, kot tekočine. Tako se ob kratkotrajnih udarcih (udarci) obnašajo kot trdna telesa in ob močnem udarcu razpadejo na koščke. Toda z zelo dolgo izpostavljenostjo amorfna telesa tečejo. To lahko vidite sami, če ste potrpežljivi. Sledite koščku smole, ki leži na trdi podlagi. Postopoma se smola razliva po njej in višja kot je temperatura smole, hitreje se to zgodi.
Atomi ali molekule amorfnih teles, tako kot molekule tekočine, imajo določen čas "ustaljenega življenja" - čas nihanja okoli ravnotežnega položaja. Toda za razliko od tekočin je ta čas zelo dolg.
Torej, za var pri t= 20 °C čas "ustaljene življenjske dobe" je približno 0,1 s. V tem pogledu so amorfna telesa blizu kristalnim, saj se preskoki atomov iz enega ravnotežnega položaja v drugega pojavljajo relativno redko.
Amorfna telesa pri nizkih temperaturah po svojih lastnostih spominjajo na trdna telesa. Nimajo skoraj nobene fluidnosti, vendar se z naraščanjem temperature postopoma zmehčajo in se njihove lastnosti vse bolj približujejo lastnostim tekočin. To se zgodi zato, ker z naraščajočo temperaturo postopoma postajajo vse pogostejši skoki atomov iz enega ravnotežnega položaja v drugega. Določeno tališče Amorfna telesa, za razliko od kristalnih, ne.
Tekoči kristali. V naravi obstajajo snovi, ki imajo hkrati osnovni lastnosti kristala in tekočine, to sta anizotropija in fluidnost. To stanje snovi se imenuje tekoči kristal. Tekoči kristali so večinoma organske snovi, katerih molekule imajo dolgo nitasto ali ploščato obliko.
Oglejmo si najpreprostejši primer, ko tekoči kristal tvorijo nitaste molekule. Te molekule se nahajajo vzporedno ena z drugo, vendar so naključno premaknjene, to pomeni, da red, za razliko od običajnih kristalov, obstaja samo v eni smeri.
Med toplotnim gibanjem se središča teh molekul premikajo naključno, vendar se orientacija molekul ne spremeni in ostanejo vzporedne same s seboj. Stroga molekularna orientacija ne obstaja v celotnem volumnu kristala, ampak v majhnih regijah, imenovanih domene. Na mejah domen pride do loma in odboja svetlobe, zato so tekoči kristali neprozorni. Toda v plasti tekočega kristala, ki je nameščena med dvema tankima ploščama, katerih razdalja je 0,01-0,1 mm, z vzporednimi vdolbinami 10-100 nm, bodo vse molekule vzporedne in kristal bo postal prozoren. Če na nekatere dele tekočega kristala pride do električne napetosti, se stanje tekočega kristala poruši. Ti predeli postanejo neprozorni in se začnejo svetiti, medtem ko območja brez napetosti ostanejo temna. Ta pojav se uporablja pri ustvarjanju televizijskih zaslonov s tekočimi kristali. Treba je opozoriti, da je sam zaslon sestavljen iz ogromnega števila elementov in elektronsko krmilno vezje za tak zaslon je izjemno kompleksno.
Fizika trdne snovi.Človeštvo je vedno uporabljalo in bo še naprej uporabljalo trdne snovi. A če je prej fizika trdne snovi zaostajala za razvojem tehnologije, ki temelji na neposrednih izkušnjah, se je zdaj situacija spremenila. Teoretične raziskave vodijo do ustvarjanja trdnih snovi, katerih lastnosti so popolnoma neobičajne.
Takšna telesa bi bilo nemogoče pridobiti s poskusi in napakami. Ustvarjanje tranzistorjev, o katerih bomo razpravljali kasneje, je osupljiv primer, kako je razumevanje strukture trdnih snovi vodilo do revolucije v vsej radijski tehniki.
Pridobivanje materialov z določenimi mehanskimi, magnetnimi, električnimi in drugimi lastnostmi je ena glavnih usmeritev sodobne fizike trdne snovi. Približno polovica svetovnih fizikov zdaj dela na tem področju fizike.
Amorfne trdne snovi zasedajo vmesni položaj med kristalnimi trdnimi snovmi in tekočinami. Njihovi atomi ali molekule so razporejeni v relativnem vrstnem redu. Razumevanje strukture trdnih snovi (kristalnih in amorfnih) vam omogoča ustvarjanje materialov z želenimi lastnostmi.

???
1. V čem se amorfna telesa razlikujejo od kristalnih?
2. Navedite primere amorfnih teles.
3. Ali bi steklopihaški poklic nastal, če bi bilo steklo kristalinična trdna snov in ne amorfna snov?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Če imate popravke ali predloge za to lekcijo,

Večina snovi v zmernem podnebju na Zemlji je v trdnem stanju. Trdne snovi ne ohranijo samo oblike, ampak tudi prostornino.

Trdne snovi glede na naravo relativne razporeditve delcev delimo na tri vrste: kristalne, amorfne in kompozitne.

Amorfna telesa. Primeri amorfnih teles so steklo, različne strjene smole (jantar), plastika itd. Če amorfno telo segrevamo, se postopoma zmehča in prehod v tekoče stanje traja precejšnje temperaturno območje.

Podobnost s tekočinami je razložena z dejstvom, da imajo atomi in molekule amorfnih teles, tako kot molekule tekočine, čas "ustaljene življenjske dobe". Ni določenega tališča, zato lahko amorfna telesa štejemo za preohlajene tekočine z zelo visoko viskoznostjo. Odsotnost dolgega reda v razporeditvi atomov amorfnih teles vodi do dejstva, da ima snov v amorfnem stanju manjšo gostoto kot v kristalnem stanju.

Motnja v razporeditvi atomov amorfnih teles vodi do dejstva, da je povprečna razdalja med atomi v različnih smereh enaka, zato so izotropni, to pomeni, da vse fizikalne lastnosti (mehanske, optične itd.) Niso odvisne od smeri. zunanjega vpliva. Znak amorfnega telesa je nepravilna oblika površine pri lomljenju. Amorfna telesa po dolgem času še vedno spreminjajo svojo obliko pod vplivom gravitacije. Zaradi tega izgledajo kot tekočine. Ko se temperatura poveča, se ta sprememba oblike zgodi hitreje. Amorfno stanje je nestabilno, pride do prehoda iz amorfnega stanja v kristalno stanje. (Kozarec postane moten.)

Kristalna telesa.Če obstaja periodičnost v razporeditvi atomov (vrstni red dolgega dosega), je trdna snov kristalna.

Če zrna soli opazujete s povečevalnim steklom ali mikroskopom, boste opazili, da so omejena z ravnimi robovi. Prisotnost takih obrazov je znak, da ste v kristalnem stanju.

Telo, ki je en kristal, se imenuje monokristal. Večina kristalnih teles je sestavljena iz številnih naključno nameščenih majhnih kristalov, ki so zrasli skupaj. Takšna telesa imenujemo polikristali. Košček sladkorja je polikristalno telo. Kristali različnih snovi imajo različne oblike. Tudi velikosti kristalov so različne. Velikosti polikristalnih kristalov se lahko sčasoma spreminjajo. Majhni kristali železa se spreminjajo v velike, ta proces pospešijo udarci in udarci, pojavlja se v jeklenih mostovih, železniških tirnicah ipd., zaradi česar sčasoma upada trdnost konstrukcije.

Zelo veliko teles enake kemične sestave v kristalnem stanju, odvisno od pogojev, lahko obstaja v dveh ali več različicah. Ta lastnost se imenuje polimorfizem. Ice pozna do deset modifikacij. Ogljikov polimorfizem - grafit in diamant.

Bistvena lastnost posameznega kristala je anizotropija - različnost njegovih lastnosti (električnih, mehanskih itd.) V različnih smereh.

Polikristalna telesa so izotropna, to pomeni, da imajo v vseh smereh enake lastnosti. To je razloženo z dejstvom, da so kristali, ki sestavljajo polikristalno telo, naključno usmerjeni relativno drug proti drugemu. Posledično se nobena od smeri ne razlikuje od drugih.

Ustvarjeni so kompozitni materiali, katerih mehanske lastnosti so boljše od naravnih materialov. Kompozitni materiali (kompoziti) sestavljeni iz matrice in polnil. Kot matriko se uporabljajo polimerni, kovinski, karbonski ali keramični materiali. Polnila so lahko sestavljena iz laskov, vlaken ali žic. Zlasti kompozitni materiali vključujejo armirani beton in ferografit.

Armirani beton je ena glavnih vrst gradbenih materialov. Gre za kombinacijo betona in jeklene armature.

Železov grafit je kovinsko-keramični material, sestavljen iz železa (95-98%) in grafita (2-5%). Iz njega so izdelani ležaji in puše za različne strojne dele in mehanizme.

Fiberglass je tudi kompozitni material, ki je mešanica steklenih vlaken in strjene smole.

Človeške in živalske kosti so sestavljen material, sestavljen iz dveh popolnoma različnih komponent: kolagena in mineralnih snovi.

Za trdne snovi je značilna stalna oblika in prostornina ter jih delimo na kristalne in amorfne.

Kristalna telesa

Vsaki kemični snovi v kristalnem stanju ustreza določena kristalna mreža, ki določa fizikalne lastnosti kristala.

Ste vedeli?
Pred mnogimi leti so bile v Sankt Peterburgu v enem od neogrevanih skladišč velike zaloge belih pločevinastih svetlečih gumbov. In nenadoma so začele temneti, izgubljale sijaj in se drobile v prah. V nekaj dneh so se gore gumbov spremenile v kup sivega prahu. "Kositrna kuga"- tako se je imenovala ta "bolezen" belega kositra.
In to je bila le preureditev vrstnega reda atomov v kristalih kositra. Kositer, ki prehaja iz bele sorte v sivo, se zdrobi v prah.
Tako beli kot sivi kositer sta kristala kositra, vendar se pri nizkih temperaturah spremeni njuna kristalna struktura, posledično pa se spremenijo fizikalne lastnosti snovi.

Kristali imajo lahko različne oblike in so omejeni na ravne robove.

V naravi so:
A) monokristali- to so enojni homogeni kristali, ki imajo obliko pravilnih poligonov in imajo zvezno kristalno mrežo

Monokristali kuhinjske soli:

b) polikristali- to so kristalna telesa, zlita iz majhnih, kaotično nameščenih kristalov.
Večina trdnih snovi ima polikristalno strukturo (kovine, kamni, pesek, sladkor).

Polikristali bizmuta:

Anizotropija kristalov

V kristalih se opazi anizotropija- odvisnost fizikalnih lastnosti (mehanska trdnost, električna prevodnost, toplotna prevodnost, lom in absorpcija svetlobe, uklon itd.) od smeri znotraj kristala.

Anizotropijo opazimo predvsem v monokristalih.

V polikristalih (na primer v velikem kosu kovine) se anizotropija v normalnem stanju ne pojavi.
Polikristali so sestavljeni iz velikega števila majhnih kristalnih zrn. Čeprav ima vsak od njih anizotropijo, zaradi neurejenosti njihove razporeditve polikristalno telo kot celota izgubi anizotropijo.

Vsaka kristalna snov se tali in kristalizira pri strogo določeni tališče: železo - pri 1530 °, kositer - pri 232 °, kremen - pri 1713 °, živo srebro - pri minus 38 °.

Delci lahko porušijo vrstni red v kristalu le, če se začne taliti.

Dokler obstaja red delcev, obstaja kristalna mreža, kristal obstaja. Če je struktura delcev porušena, pomeni, da se je kristal stopil – spremenil v tekočino ali izhlapel – spremenil v paro.

Amorfna telesa

Amorfna telesa nimajo strogega reda v razporeditvi atomov in molekul (steklo, smola, jantar, kolofonija).

V amorfnih telesih se opazi izotropija- njihove fizikalne lastnosti so enake v vseh smereh.

Pod zunanjimi vplivi razstavljajo amorfna telesa istočasno elastične lastnosti (ob udarcu se razbijejo na koščke kot trdne snovi) in fluidnost (pri daljši izpostavljenosti tečejo kot tekočine).

Pri nizkih temperaturah so amorfna telesa po svojih lastnostih podobna trdnim snovem, pri visokih temperaturah pa zelo viskoznim tekočinam.

Amorfna telesa nimajo določenega tališča in s tem temperaturo kristalizacije.
Pri segrevanju se postopoma zmehčajo.

Amorfna telesa zasedajo vmesni položaj med kristalnimi trdnimi snovmi in tekočinami.

Ista snov se lahko pojavi v kristalni in nekristalni obliki.

V tekoči talini snovi se delci gibljejo povsem naključno.
Če na primer stopite sladkor, potem:

1. če se talina strjuje počasi, umirjeno, se delci zberejo v enakomerne vrste in nastanejo kristali. Tako dobimo kristalni sladkor ali sladkor v kosih;

2. če pride do ohlajanja zelo hitro, potem delci nimajo časa, da bi se poravnali v pravilne vrste in talina se strdi nekristalna. Torej, če stopljeni sladkor vlijete v hladno vodo ali na zelo hladen krožnik, nastane sladkorni bonbon, nekristalni sladkor.

Čudovito!

Sčasoma lahko nekristalna snov "degenerira", ali natančneje, kristalizira, delci v njih se zberejo v pravilne vrste.

Le doba je pri različnih snoveh različna: pri sladkorju je več mesecev, pri kamnu pa milijone let.

Pustite, da sladkarije mirno ležijo dva ali tri mesece. Pokrile se bodo z ohlapno skorjo. Poglejte ga s povečevalnim steklom: to so majhni kristali sladkorja. V nekristalnem sladkorju se je začela rast kristalov. Počakajte še nekaj mesecev - in ne samo skorja, ampak celoten bonbon bo kristaliziral.

Tudi naše običajno okensko steklo lahko kristalizira. Zelo staro steklo včasih postane popolnoma motno, ker se v njem oblikuje množica majhnih neprozornih kristalov.

V steklarnah se včasih v peči oblikuje "koza", to je blok kristalnega stekla. To kristalno steklo je zelo trpežno. Lažje je uničiti peč, kot pa iz nje izbiti trdovratno "kozo".
Ko so ga preučili, so znanstveniki ustvarili nov, zelo trpežen stekleni material - keramično steklo. To je steklokristalni material, pridobljen kot rezultat volumetrične kristalizacije stekla.

Radoveden!

Obstajajo lahko različne kristalne oblike isto snov.
Na primer ogljik.

Grafit je kristalni ogljik. Mine za svinčnike so narejene iz grafita, ki ob rahlem pritisku pusti sledi na papirju. Struktura grafita je plastna. Plasti grafita se zlahka premikajo, zato se grafitni kosmiči med pisanjem lepijo na papir.

Vendar obstaja še ena oblika kristalnega ogljika - diamant.

Poleg kristaliničnih trdnih snovi najdemo tudi amorfne trdne snovi. Amorfna telesa za razliko od kristalov nimajo strogega reda v razporeditvi atomov. Samo najbližji atomi - sosedje - so razporejeni v nekem vrstnem redu. Ampak

V amorfnih telesih ni stroge ponovljivosti v vse smeri istega strukturnega elementa, ki je značilna za kristale.

Pogosto lahko isto snov najdemo tako v kristalnem kot v amorfnem stanju. Na primer, kremen je lahko v kristalni ali amorfni obliki (silicijev dioksid). Kristalno obliko kremena lahko shematično predstavimo kot mrežo pravilnih šesterokotnikov (slika 77, a). Tudi amorfna struktura kremena ima videz mreže, vendar nepravilne oblike. Skupaj s šesterokotniki vsebuje petkotnike in sedemkotnike (slika 77, b).

Lastnosti amorfnih teles. Vsa amorfna telesa so izotropna: njihove fizikalne lastnosti so enake v vseh smereh. Amorfna telesa vključujejo steklo, mnoge plastike, smolo, kolofonijo, sladkorne bonbone itd.

Pod zunanjimi vplivi kažejo amorfna telesa elastične lastnosti, kot trdne snovi, in fluidne, kot tekočine. Pri kratkotrajnih udarcih (udarci) se obnašajo kot trdno telo in ob močnem udarcu razpadejo na koščke. Toda z zelo dolgo izpostavljenostjo amorfna telesa tečejo. Na primer, kos smole se postopoma širi po trdni površini. Atomi ali molekule amorfnih teles imajo tako kot molekule tekočine določen čas »umirjenega življenja«, čas nihanja okoli ravnotežnega položaja. Toda za razliko od tekočin je ta čas zelo dolg. V tem pogledu so amorfna telesa blizu kristalnim, saj redko pride do preskokov atomov iz enega ravnotežnega položaja v drugega.

Pri nizkih temperaturah so amorfna telesa po svojih lastnostih podobna trdnim snovem. Nimajo skoraj nobene fluidnosti, vendar se z naraščanjem temperature postopoma zmehčajo in se njihove lastnosti vse bolj približujejo lastnostim tekočin. To se zgodi zato, ker z naraščajočo temperaturo skoki atomov iz enega položaja postopoma postajajo pogostejši.

ravnotežje drugemu. Za amorfna telesa, za razliko od kristalnih, ni določenega tališča.

Fizika trdne snovi. Vse lastnosti trdnih teles (kristalnih in amorfnih) lahko razložimo na podlagi poznavanja njihove atomsko-molekularne zgradbe in zakonitosti gibanja molekul, atomov, ionov in elektronov, ki sestavljajo trdna telesa. Študije lastnosti trdnih teles so združene v obsežno področje sodobne fizike - fiziko trdne snovi. Razvoj fizike trdne snovi spodbujajo predvsem potrebe tehnologije. Približno polovica svetovnih fizikov deluje na področju fizike trdne snovi. Seveda so dosežki na tem področju nepredstavljivi brez poglobljenega poznavanja vseh drugih vej fizike.

1. V čem se kristalna telesa razlikujejo od amorfnih? 2. Kaj je anizotropija? 3. Navedite primere monokristalnih, polikristalnih in amorfnih teles. 4. Kako se robne dislokacije razlikujejo od vijačnih?

Trdne snovi delimo na amorfne in kristalne, glede na njihovo molekularno strukturo in fizikalne lastnosti.

Za razliko od kristalov molekule in atomi amorfnih trdnih snovi ne tvorijo mreže in razdalja med njimi niha v določenem območju možnih razdalj. Z drugimi besedami, v kristalih so atomi ali molekule medsebojno razporejeni tako, da se lahko oblikovana struktura ponavlja po celotni prostornini telesa, kar imenujemo red na velikem dosegu. Pri amorfnih telesih je struktura molekul ohranjena le glede na vsako tako molekulo, opazen je vzorec v porazdelitvi samo sosednjih molekul - vrstni red kratkega dosega. Spodaj je predstavljen ilustrativen primer.

Amorfna telesa so steklo in druge snovi v steklastem stanju, kolofonija, smole, jantar, pečatni vosek, bitumen, vosek, pa tudi organske snovi: guma, usnje, celuloza, polietilen itd.

Lastnosti amorfnih teles

Strukturne značilnosti amorfnih trdnih snovi jim dajejo posamezne lastnosti:

1. Šibka fluidnost je ena najbolj znanih lastnosti takih teles. Primer bi bili stekleni kapniki, ki že dolgo sedijo v okenskem okvirju.
2. Amorfne trdne snovi nimajo določenega tališča, saj prehod v tekoče stanje med segrevanjem poteka postopoma, z mehčanjem telesa. Zaradi tega se za taka telesa uporablja tako imenovano temperaturno območje mehčanja.

1. Takšna telesa so zaradi svoje zgradbe izotropna, to pomeni, da njihove fizikalne lastnosti niso odvisne od izbire smeri.
2. Snov v amorfnem stanju ima večjo notranjo energijo kot v kristalnem stanju. Zaradi tega se lahko amorfna telesa samostojno spremenijo v kristalno stanje. Ta pojav lahko opazimo kot posledico motnosti stekla sčasoma.

Stekleno stanje

V naravi obstajajo tekočine, ki jih je praktično nemogoče spremeniti v kristalno stanje s hlajenjem, saj kompleksnost molekul teh snovi ne omogoča, da tvorijo pravilno kristalno mrežo. Take tekočine vključujejo molekule nekaterih organskih polimerov.

Vendar pa lahko s pomočjo globokega in hitrega ohlajanja skoraj vsaka snov preide v steklasto stanje. To je amorfno stanje, ki nima jasne kristalne mreže, lahko pa delno kristalizira na lestvici majhnih grozdov. To stanje snovi je metastabilno, kar pomeni, da obstaja pod določenimi zahtevanimi termodinamičnimi pogoji.

S tehnologijo hlajenja pri določeni hitrosti snov ne bo imela časa za kristalizacijo in se bo pretvorila v steklo. To pomeni, da višja kot je hitrost ohlajanja materiala, manjša je verjetnost, da bo kristaliziral. Na primer, za proizvodnjo kovinskih kozarcev bo potrebna hitrost hlajenja 100.000 - 1.000.000 Kelvinov na sekundo.

V naravi snov obstaja v steklastem stanju in izhaja iz tekoče vulkanske magme, ki se v interakciji s hladno vodo ali zrakom hitro ohladi. V tem primeru se snov imenuje vulkansko steklo. Opazujete lahko tudi steklo, ki nastane kot posledica taljenja padajočega meteorita v interakciji z atmosfero - meteoritsko steklo ali moldavit.