Enamik aineid Maa parasvöötmes on tahkes olekus. Tahked kehad säilitavad mitte ainult oma kuju, vaid ka mahu.
Osakeste suhtelise paigutuse olemuse järgi jaotatakse tahked ained kolme tüüpi: kristalsed, amorfsed ja komposiidid.
amorfsed kehad. Amorfsete kehade näideteks võivad olla klaas, mitmesugused kõvastunud vaigud (merevaik), plastid jne. Kui amorfset keha kuumutada, siis see järk-järgult pehmeneb ja vedelasse olekusse üleminek võtab enda alla märkimisväärse temperatuurivahemiku.
Sarnasus vedelikega on seletatav asjaoluga, et amorfsete kehade aatomitel ja molekulidel on sarnaselt vedeliku molekulidel "setistunud eluiga". Konkreetset sulamistemperatuuri ei ole, seega võib amorfseid kehasid käsitleda kui väga kõrge viskoossusega vedeliku ülejahtumist. Kaugemaa järjestuse puudumine amorfsete kehade aatomite paigutuses toob kaasa asjaolu, et amorfses olekus ainel on väiksem tihedus kui kristallilises olekus.
Amorfsete kehade aatomite paigutuse häire toob kaasa asjaolu, et aatomite keskmine kaugus eri suundades on sama, mistõttu nad on isotroopsed, st kõik füüsikalised omadused (mehaanilised, optilised jne) ei sõltu välismõju suund. Amorfse keha tunnuseks on pinna ebakorrapärane kuju murdekohas. Pärast pikka aega muudavad juhuslikult amorfsed kehad gravitatsiooni mõjul oma kuju. Sel moel on nad nagu vedelikud. Temperatuuri tõustes toimub see kuju muutus kiiremini. Amorfne olek on ebastabiilne, toimub üleminek amorfsest olekust kristallisse olekusse. (Klaas hägustab.)
kristalsed kehad. Perioodilisuse olemasolul aatomite paigutuses (pikamaa järjestus) on tahke aine kristalne.
Kui vaatate soolaterasid suurendusklaasi või mikroskoobiga, märkate, et neid piiravad lamedad näod. Selliste nägude olemasolu on märk kristallilises olekus.
Keha, mis on monokristall, nimetatakse monokristalliks. Enamik kristallkehasid koosneb paljudest juhuslikult paigutatud väikestest kristallidest, mis on kokku kasvanud. Selliseid kehasid nimetatakse polükristallideks. Suhkrutükk on polükristalliline keha. Erinevate ainete kristallid on erineva kujuga. Ka kristallide suurused on erinevad. Polükristalli tüüpi kristallide suurus võib aja jooksul muutuda. Väikesed raudkristallid muutuvad suurteks, seda protsessi kiirendavad löögid ja põrutused, see esineb terassildades, raudteerööbastes jm, millest konstruktsiooni tugevus aja jooksul väheneb.
Väga paljud kristallilises olekus sama keemilise koostisega kehad võivad olenevalt tingimustest eksisteerida kahe või enama variandina. Seda omadust nimetatakse polümorfismiks. Jääl on kuni kümme modifikatsiooni. Süsiniku polümorfism – grafiit ja teemant.
Üksikkristalli oluline omadus on anisotroopsus – selle omaduste (elektrilised, mehaanilised jne) erinevused eri suundades.
Polükristallilised kehad on isotroopsed, see tähendab, et neil on kõigis suundades samad omadused. Seda seletatakse asjaoluga, et polükristallilise keha moodustavad kristallid on üksteise suhtes juhuslikult orienteeritud. Selle tulemusena ei erine ükski suund teistest.
Loodud on komposiitmaterjalid, mille mehaanilised omadused on paremad kui looduslikud materjalid. Komposiitmaterjalid (komposiidid) koosnevad maatriksist ja täiteainetest. Maatriksina kasutatakse polümeeri, metalli, süsinikku või keraamilisi materjale. Täiteained võivad koosneda vuntsidest, kiududest või traadist. Eelkõige hõlmavad komposiitmaterjalid raudbetooni ja raudgrafiiti.
Raudbetoon on üks peamisi ehitusmaterjalide liike. See on betoon- ja terasarmatuuri kombinatsioon.
Raudgrafiit on keraamiline-metallmaterjal, mis koosneb rauast (95-98%) ja grafiidist (2-5%). Sellest valmistatakse erinevate masinate ja mehhanismide laagrid, puksid.
Klaaskiud on ka komposiitmaterjal, mis on klaaskiudude ja kõvastunud vaigu segu.
Inimese ja looma luud on komposiitmaterjal, mis koosneb kahest täiesti erinevast komponendist: kollageenist ja mineraalainest.
Erinevalt kristalsetest tahketest ainetest ei ole amorfses kehas osakeste paigutuses ranget järjekorda.
Kuigi amorfsed tahked ained suudavad oma kuju säilitada, puudub neil kristallvõre. Teatavat seaduspärasust täheldatakse ainult naabruses asuvate molekulide ja aatomite puhul. Seda tellimust nimetatakse lühiajaline tellimus . See ei kordu igas suunas ega säili pikkade vahemaade tagant, nagu kristalsetes kehades.
Amorfsed kehad on näiteks klaas, merevaik, tehisvaigud, vaha, parafiin, plastiliin jne.
Amorfsete kehade tunnused
Amorfsete kehade aatomid võnguvad juhuslikult paiknevate punktide ümber. Seetõttu sarnaneb nende kehade struktuur vedelike struktuuriga. Kuid neis olevad osakesed on vähem liikuvad. Nende võnkeaeg tasakaaluasendi ümber on pikem kui vedelikes. Samuti esineb aatomite hüppeid teise asendisse palju harvemini.
Kuidas kristalsed tahked ained kuumutamisel käituvad? Nad hakkavad teatud hetkel sulama sulamispunkt. Ja mõnda aega on nad samaaegselt tahkes ja vedelas olekus, kuni kogu aine on sulanud.
Amorfsetel kehadel ei ole kindlat sulamistemperatuuri. . Kuumutamisel nad ei sula, vaid pehmenevad järk-järgult.
Asetage plastiliinitükk kütteseadme lähedusse. Mõne aja pärast muutub see pehmeks. See ei juhtu koheselt, vaid teatud aja jooksul.
Kuna amorfsete kehade omadused on sarnased vedelike omadustega, peetakse neid väga kõrge viskoossusega ülejahutatud vedelikeks (tahkestunud vedelikud). Normaalsetes tingimustes ei saa nad voolata. Kuid kuumutamisel tekivad neis sagedamini aatomite hüpped, viskoossus väheneb ja amorfsed kehad pehmenevad järk-järgult. Mida kõrgem on temperatuur, seda madalam on viskoossus ja järk-järgult muutub amorfne keha vedelaks.
Tavaline klaas on tahke amorfne keha. Seda saadakse ränioksiidi, sooda ja lubja sulatamisel. Kuumutades segu temperatuurini 1400 umbes C, saad vedela klaasja massi. Jahtudes vedel klaas ei tahku nagu kristalsed kehad, vaid jääb vedelaks, mille viskoossus suureneb ja voolavus väheneb. Tavatingimustes näib see meile kindla kehana. Kuid tegelikult on see vedelik, millel on tohutu viskoossus ja voolavus, nii väike, et seda on raske eristada kõige ülitundlikemate instrumentidega.
Aine amorfne olek on ebastabiilne. Aja jooksul muutub see amorfsest olekust järk-järgult kristalseks. See protsess erinevates ainetes toimub erineva kiirusega. Näeme, kuidas suhkrukristallid katavad suhkrukompvekke. See ei võta palju aega.
Ja selleks, et tavalises klaasis tekiks kristallid, peab kuluma palju aega. Kristalliseerumise käigus kaotab klaas oma tugevuse, läbipaistvuse, muutub häguseks ja muutub rabedaks.
Amorfsete kehade isotroopia
Kristallilistel tahketel ainetel on füüsikalised omadused erinevates suundades erinevad. Ja amorfsetes kehades on nad igas suunas ühesugused. Seda nähtust nimetatakse isotroopia .
Amorfne keha juhib võrdselt elektrit ja soojust igas suunas ning murrab valgust võrdselt. Heli levib ka amorfsetes kehades igas suunas võrdselt.
Amorfsete ainete omadusi kasutatakse kaasaegsetes tehnoloogiates. Erilist huvi pakuvad metallisulamid, millel puudub kristalne struktuur ja mis on amorfsed tahked ained. Neid nimetatakse metallist klaasid . Nende füüsikalised, mehaanilised, elektrilised ja muud omadused erinevad tavaliste metallide sarnastest omadustest paremuse poole.
Niisiis kasutatakse meditsiinis amorfseid sulameid, mille tugevus ületab titaani oma. Nendest valmistatakse kruvisid või plaate, mis ühendavad murdunud luid. Erinevalt titaanist kinnitusdetailidest laguneb see materjal järk-järgult ja asendub aja jooksul luumaterjaliga.
Kõrgtugevaid sulameid kasutatakse metallilõikuriistade, liitmike, vedrude ja mehhanismide osade valmistamisel.
Jaapanis on välja töötatud kõrge magnetilise läbilaskvusega amorfne sulam. Kasutades seda trafosüdamikes tekstureeritud trafo teraslehtede asemel, saab pöörisvoolukadusid vähendada 20 korda.
Amorfsetel metallidel on ainulaadsed omadused. Neid nimetatakse tulevikumaterjaliks.
Amorfseid tahkeid aineid paljudes nende omadustes ja peamiselt mikrostruktuuris tuleks käsitleda kui väga kõrge viskoossuskoefitsiendiga ülejahutatud vedelikke. Selliste kehade struktuuri iseloomustab ainult osakeste paigutuse lühimaakord. Mõned neist ainetest ei suuda üldse kristalliseeruda: vaha, tihendusvaha, vaigud. Teised moodustavad teatud jahutusrežiimil kristallstruktuure, kuid kiire jahutamise korral takistab viskoossuse tõus osakeste paigutuses järjestust. Aine tahkub enne kristalliseerumisprotsessi toimumist. Selliseid kehasid nimetatakse klaasjaks: klaas, jää. Sellises aines võib kristalliseerumisprotsess toimuda ka pärast tahkumist (klaaside hägustumine). Amorfsete hulka kuuluvad ka tahked orgaanilised ained: kumm, puit, nahk, plastik, vill, puuvill ja siidikiud. Selliste ainete üleminekuprotsess vedelast faasist tahkesse faasi on näidatud joonisel fig. - I kõver.
Amorfsetel kehadel ei ole tahkestumise (sulamis) temperatuuri. Graafikul T \u003d f (t) on käändepunkt, mida nimetatakse pehmenemispunktiks. Temperatuuri langus toob kaasa viskoossuse järkjärgulise suurenemise. Selline tahkesse olekusse ülemineku olemus põhjustab amorfsetes ainetes spetsiifilise sulamissoojuse puudumist. Vastupidine üleminek, soojuse tarnimisel toimub sujuv pehmenemine vedeliku olekusse.
KRISTALNE TAHKE KEHA.
Kristallide mikrostruktuuri iseloomulik tunnus on nende sisemiste elektriväljade ruumiline perioodilisus ja korratavus kristalle moodustavate osakeste - aatomite, ioonide ja molekulide - paigutuses (pikamaa järjestus). Osakesed vahelduvad kindlas järjekorras mööda sirgeid jooni, mida nimetatakse sõlmedeks. Kristalli mis tahes lamedas lõigus moodustavad kaks ristuvat selliste joonte süsteemi absoluutselt identsete rööpkülikute komplekti, mis tihedalt, ilma tühikuteta katavad lõiketasandi. Ruumis moodustab selliste joonte kolme mittetasapinnalise süsteemi ristumiskoht ruumilise ruudustiku, mis jagab kristalli täiesti identsete rööptahukate kogumiks. Kristallvõre moodustavate joonte lõikepunkte nimetatakse sõlmedeks. Sõlmede vahelisi kaugusi mingis suunas nimetatakse tõlketeks või võreperioodideks. Kolmele mittetasapinnalisele tõlkele ehitatud rööptahukat nimetatakse elementaarrakuks või võre korratavusega rööptahuks. Kristallvõrede kõige olulisem geomeetriline omadus on sümmeetria osakeste paigutuses teatud suundade ja tasandite suhtes. Sel põhjusel, kuigi ühikelemendi valimiseks on mitu võimalust, tuleb antud kristallstruktuuri jaoks valida see nii, et see vastaks võre sümmeetriale.
Kristallkehad võib jagada kahte rühma: monokristallid ja polükristallid. Üksikkristallide puhul täheldatakse üksikkristallvõret kogu keha mahus. Ja kuigi sama tüüpi monokristallide väliskuju võib olla erinev, on vastavate tahkude vahelised nurgad alati samad. Üksikkristallide iseloomulik tunnus on mehaaniliste, termiliste, elektriliste, optiliste ja muude omaduste anisotroopsus.
Üksikkristalle leidub looduses sageli loomulikus olekus. Näiteks enamik mineraale on kristallid, smaragdid, rubiinid. Praegu kasvatatakse tööstuslikel eesmärkidel paljusid monokristalle lahustest ja sulamistest kunstlikult - rubiinid, germaanium, räni, galliumarseniid.
Üks ja sama keemiline element võib moodustada mitu geomeetriliselt erinevat kristallstruktuuri. Seda nähtust nimetatakse polümorfismiks. Näiteks süsinik on grafiit ja teemant; jää viis modifikatsiooni jne.
Kristallkehade puhul reeglina ei esine õiget väliskülge ja omaduste anisotroopiat. Seda seetõttu, et kristalsed tahked ained koosnevad tavaliselt paljudest juhuslikult orienteeritud väikestest kristallidest. Selliseid tahkeid aineid nimetatakse polükristallilisteks. See on tingitud kristalliseerumise mehhanismist: kui selleks protsessiks vajalikud tingimused on saavutatud, tekivad kristallisatsioonikeskused samaaegselt paljudes algfaasi kohtades. Tuumalised kristallid paiknevad ja orienteeruvad üksteise suhtes üsna meelevaldselt. Sel põhjusel saame protsessi lõpus tahke keha kokkukasvanud väikeste kristallide - kristalliitide - konglomeraadi kujul.
Energeetilisest vaatenurgast on kristalsete ja amorfsete tahkete ainete erinevus selgelt näha tahkestumise ja sulamise protsessis. Kristallilistel kehadel on sulamistemperatuur – temperatuur, mil aine eksisteerib stabiilselt kahes faasis – tahkes ja vedelas (joon. kõver 2). Tahke molekuli üleminek vedelikuks tähendab, et see omandab kolm täiendavat translatsioonilise liikumise vabadusastet. See. aine massiühik T pl. on vedelas faasis suurem siseenergia kui sama mass tahkes faasis. Lisaks muutub osakeste vaheline kaugus. Seetõttu on kristalse aine massiühiku vedelikuks muutmiseks vajalik soojushulk üldiselt järgmine:
λ \u003d (U W -U cr) + P (V W -V cr),
kus λ on sulamise (kristalliseerumise) erisoojus, (U f -U cr) on vedeliku ja kristalse faasi siseenergia erinevus, P on välisrõhk, (V f -V cr) konkreetsed mahud. Vastavalt Clausius-Clapeyroni võrrandile sõltub sulamistemperatuur rõhust:
On näha, et kui (V W -V cr)> 0, siis 
> 0, st. rõhu suurenemisega sulamistemperatuur tõuseb. Kui sulamise ajal aine maht väheneb (V W -V cr)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Amorfsetel kehadel ei ole sulamissoojust. Kuumutamine toob kaasa soojusliikumise kiiruse järkjärgulise suurenemise ja viskoossuse vähenemise. Protsessi graafikul (joonis) on käändepunkt, mida tinglikult nimetatakse pehmenemispunktiks.
TAHKEKEHADE SOOJUSOMADUSED
Tänu tugevale interaktsioonile piiravad kristallides termilist liikumist ainult kristallvõre sõlmede ümber tekkivad osakeste vibratsioonid. Nende kõikumiste amplituud ei pöördu tavaliselt 10 -11 m, s.o. on ainult 5-7% võre perioodist mööda vastavat suunda. Nende võnkumiste olemus on väga keeruline, kuna selle määravad võnkuva osakese ja kõigi tema naabrite vastasmõju jõud.
Temperatuuri tõus tähendab osakeste liikumise energia suurenemist. See omakorda tähendab osakeste võnkumiste amplituudi suurenemist ja seletab kristalsete tahkete ainete paisumist kuumutamisel.
l t = l 0 (1 + αt 0),
kus l t ja l 0 - keha lineaarsed mõõtmed temperatuuridel t 0 ja 0 0 С, α - lineaarpaisumise koefitsient. Tahkete ainete puhul on α suurusjärk 10 -5 - 10 -6 K -1 . Lineaarse laienemise tulemusena suureneb ka keha maht:
V t = V 0 (1 + βt 0),
siin β on mahu laienemise koefitsient. β = 3α isotroopse paisumise korral. Üksikkristallkehadel, mis on anisotroopsed, on kolm erinevat α väärtust.
Igal võnkuval osakesel on kolm võnkuva liikumise vabadusastet. Arvestades, et osakestel on lisaks kineetilisele energiale ka potentsiaalne energia, tuleks energia ε = kT omistada tahkete kehade osakeste ühele vabadusastmele. Nüüd on muti siseenergia jaoks:
U μ = 3N A kT = 3RT,
ja molaarse soojusmahtuvuse jaoks:
Need. keemiliselt lihtsate kristalsete kehade molaarne soojusmahtuvus on sama ja ei sõltu temperatuurist. See on Dulong-Petiti seadus.
Nagu katse näitas, on see seadus üsna hästi täidetud, alates toatemperatuurist. Seletusi Dulong-Petiti seadusest kõrvalekallete kohta madalatel temperatuuridel andsid Einstein ja Debye soojusmahtuvuse kvantteoorias. Näidati, et energia, mis langeb ühele vabadusastmele, ei ole konstantne väärtus, vaid sõltub temperatuurist ja võnkesagedusest.
PÄRIS KRISTALLID. VEAD KRISTALLIDES
Päriskristallidel on mitmeid ideaalse struktuuri rikkumisi, mida nimetatakse kristallide defektideks:
a) punktide defektid -
Schottky defektid (osakesed ei ole hõivatud sõlmedega);
Frenkeli defektid (osakeste nihkumine sõlmedest interstitsiaalidesse);
lisandid (implanteeritud võõraatomid);
b) lineaarne - serva ja kruvi nihestused. See on lokaalne ebaregulaarne
sti osakeste paigutuses
üksikute aatomitasandite ebatäielikkuse tõttu
või nende arengujärjestuse rikkumiste tõttu;
c) tasapinnaline - kristalliitide vahelised piirid, lineaarsete dislokatsioonide read.
« Füüsika – 10. klass
Lisaks tahketele ainetele, millel on kristalne struktuur, mida iseloomustab range järjekord aatomite paigutuses, leidub ka amorfseid tahkeid aineid.
Amorfsetel kehadel ei ole aatomite paigutuses ranget järjekorda. Ainult lähimad aatomid-naabrid on mingis järjekorras paigutatud. Kuid amorfsetes kehades ei toimu kristallidele iseloomulikku sama struktuurielemendi ranget kordamist kõigis suundades. Aatomite paigutuse ja käitumise järgi on amorfsed kehad sarnased vedelikega. Sageli võib sama aine olla nii kristalses kui ka amorfses olekus.
Teoreetilised uuringud viivad tahkete ainete tootmiseni, mille omadused on üsna ebatavalised. Selliseid kehasid oleks katse-eksituse meetodil võimatu saada. Transistoride loomine, millest tuleb juttu hiljem, on ilmekas näide sellest, kuidas tahkete ainete struktuuri mõistmine on viinud revolutsioonini kogu raadiotehnikas.
Kindlaksmääratud mehaaniliste, magnetiliste, elektriliste ja muude omadustega materjalide saamine on tänapäevase tahkisfüüsika üks peamisi suundi.
Mitte kõik tahked ained pole kristallid. Amorfseid kehasid on palju.
Amorfsetel kehadel ei ole aatomite paigutuses ranget järjekorda. Ainult lähimad aatomid - naabrid asuvad mingis järjekorras. Kuid sama struktuurielemendi kõigis suundades pole ranget orientatsiooni, mis on iseloomulik amorfsetes kehades olevatele kristallidele.
Sageli võib sama aine olla nii kristalses kui ka amorfses olekus. Näiteks kvarts SiO2 võib olla nii kristalsel kui ka amorfsel kujul (ränidioksiid). Kvartsi kristallilist vormi saab skemaatiliselt kujutada korrapäraste kuusnurkade võrena. Kvartsi amorfsel struktuuril on samuti võre kuju, kuid see on ebakorrapärase kujuga. Koos kuusnurkadega sisaldab see viisnurki ja seitsenurki.
1959. aastal viis inglise füüsik D. Bernal läbi huvitavaid katseid: võttis palju ühesuuruseid väikseid plastiliinikuulikesi, veeretas need kriidipulbris ja surus suureks tükiks. Selle tulemusena moondusid kuulid hulktahukateks. Selgus, et sel juhul moodustusid valdavalt viisnurksed tahud ja polüeedritel oli keskmiselt 13,3 tahku. Seega on amorfsetes ainetes kindlasti mingi kord.
Amorfsete kehade hulka kuuluvad klaas, vaik, kampol, suhkrukommid jne. Erinevalt kristalsetest ainetest on amorfsed ained isotroopsed, st nende mehaanilised, optilised, elektrilised ja muud omadused ei sõltu suunast. Amorfsetel kehadel ei ole kindlat sulamistemperatuuri: sulamine toimub teatud temperatuurivahemikus. Amorfse aine üleminekuga tahkest olekust vedelasse ei kaasne järsku omaduste muutumist. Amorfse oleku füüsikalist mudelit pole veel loodud.
Amorfsed kehad asuvad kristalsete tahkete ainete ja vedelike vahel. Nende aatomid või molekulid on paigutatud suhtelises järjekorras. Tahkete ainete (kristallilised ja amorfsed) struktuuri mõistmine võimaldab luua soovitud omadustega materjale.
Välismõjude mõjul on amorfsetel kehadel nii elastsed omadused, nagu tahked ained, kui ka voolavus, nagu vedelikud. Seega käituvad nad lühiajaliste mõjude (löökide) korral nagu tahked kehad ja purunevad tugeva löögi korral tükkideks. Kuid väga pika kokkupuute korral voolavad amorfsed kehad. Jälgime vaigutükki, mis asub siledal pinnal. Järk-järgult levib vaik selle peale ja mida kõrgem on vaigu temperatuur, seda kiiremini see juhtub.
Madalatel temperatuuridel amorfsed kehad meenutavad oma omadustelt tahkeid kehasid. Neil pole peaaegu üldse voolavust, kuid temperatuuri tõustes need järk-järgult pehmenevad ja nende omadused lähenevad üha enam vedelike omadele. Seda seetõttu, et temperatuuri tõustes sagenevad järk-järgult aatomite hüpped ühest asendist teise. Amorfsetel kehadel ei ole erinevalt kristalsetest kehade teatud temperatuuri.
Kui vedel aine jahutatakse, siis see alati ei kristalliseeru. teatud tingimustel võib tekkida mittetasakaalune tahke amorfne (klaasjas) olek. Klaasjas olekus võib sisaldada lihtsaid aineid (süsinik, fosfor, arseen, väävel, seleen), oksiide (näiteks boor, räni, fosfor), halogeniide, kalkogeniide, palju orgaanilisi polümeere. Selles olekus võib aine olla stabiilne. pikka aega, näiteks on mõned vulkaanilised klaasid miljoneid aastaid vanad. Klaasjas amorfses olekus oleva aine füüsikalised ja keemilised omadused võivad oluliselt erineda kristalse aine omadustest. Näiteks klaasjas germaaniumdioksiid on keemiliselt aktiivsem kui kristalne. Vedela ja tahke amorfse oleku omaduste erinevuse määrab osakeste soojusliikumise iseloom: amorfses olekus on osakesed võimelised ainult võnke- ja pöörlemisliikumiseks, kuid ei saa liikuda aine paksuses.
Mehaanilise koormuse mõjul või temperatuuri muutumisel võivad amorfsed kehad kristalliseeruda. Amorfses olekus olevate ainete reaktsioonivõime on palju suurem kui kristallilises olekus. Amorfse (kreeka keelest "amorphos" - vormitu) aine oleku peamine märk on aatom- või molekulaarvõre puudumine, see tähendab kristallilisele olekule iseloomuliku struktuuri kolmemõõtmeline perioodilisus.
On aineid, mis tahkel kujul võivad olla ainult amorfses olekus. See kehtib polümeeride kohta, mille linkide järjestus on ebakorrapärane.