Фізичні властивості аморфних тіл. Шкільна енциклопедія

>>Фізика: Аморфні тіла

Не всі тверді тіла – кристали. Існує безліч аморфних тіл. Чим вони відрізняються від кристалів?
У аморфних тіл немає строгого порядку розташування атомів. Тільки найближчі атоми-сусіди розташовуються у порядку. Але суворої повторюваності за всіма напрямами однієї й тієї ж елемента структури, що у кристалів , в аморфних тілах немає.
За розташуванням атомів і їх поведінкою аморфні тіла аналогічні рідинам.
Часто те саме речовина може бути як у кристалічному, і у аморфному стані. Наприклад, кварц SiO 2 може бути як кристалічної, так і в аморфній формі (кремнезем). Кристалічну форму кварцу схематично можна подати у вигляді решітки з правильних шестикутників ( рис.12.6, а). Аморфна структура кварцу також має вигляд ґрат, але неправильної форми. Поряд із шестикутниками в ній зустрічаються п'яти- та семикутники ( рис.12.6, б).
Властивості аморфних тіл.Усі аморфні тіла ізотропні, т. е. їх фізичні властивості однакові у всіх напрямах. До аморфних тіл належать скло, смола, каніфоль, цукровий льодяник та ін.
При зовнішніх впливах аморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і плинність, подібно до рідини. Так, при короткочасних впливах (ударах) вони поводяться як тверді тіла і за сильного удару розколюються на шматки. Але при дуже тривалому впливі аморфні тіла течуть. У цьому ви можете переконатись самі, якщо запасетеся терпінням. Простежте за шматком смоли, що лежить на твердій поверхні. Поступово смола по ній розтікається, і що вище температура смоли, то швидше це відбувається.
Атоми або молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають певний час «осілого життя» - час коливань біля положення рівноваги. Але на відміну від рідин цей час вони дуже великі.
Так, для варя при t= 20 ° З час «осілого життя» приблизно 0,1 с. У цьому відношенні аморфні тіла близькі до кристалічних, тому що перескоки атомів з одного положення рівноваги до іншого відбуваються порівняно рідко.
Аморфні тіла за низьких температур за своїми властивостями нагадують тверді тіла. Плинністю вони майже не володіють, але в міру підвищення температури поступово розм'якшуються та їх властивості дедалі більше наближаються до властивостей рідин. Це тому, що зі зростанням температури поступово частішають перескоки атомів з одного положення рівноваги до іншого. Певної температури плавленняу аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає.
Рідкі кристали.У природі зустрічаються речовини, що мають одночасно основні властивості кристала і рідини, а саме анізотропію і плинність. Такий стан речовини називається рідкокристалічним. Рідкими кристалами є переважно органічні речовини, молекули яких мають довгу ниткоподібну форму або форму плоских пластин.
Розглянемо найпростіший випадок, коли рідкий кристал утворюється ниткоподібними молекулами. Ці молекули розташовані паралельно одна одній, проте безладно зрушені, т. е. порядок, на відміну звичайних кристалів, існує лише одному напрямі.
При тепловому русі центри цих молекул рухаються хаотично, проте орієнтація молекул не змінюється, і вони залишаються паралельними собі. Сувора орієнтація молекул існує у всьому обсязі кристала, а невеликих областях, званих доменами. На межі доменів відбувається заломлення та відбиття світла, тому рідкі кристали непрозорі. Однак у шарі рідкого кристала, вміщеному між двома тонкими пластинами, відстані між якими 0,01-0,1 мм, з паралельними поглибленнями 10-100 нм, всі молекули будуть паралельні і кристал стане прозорим. Якщо на якісь ділянки рідкого кристала подати електричну напругу, то рідкокристалічний стан порушується. Ці ділянки стають непрозорими та починають світитися, а ділянки без напруги залишаються темними. Це використовується при створенні рідкокристалічних екранів телевізорів. Слід зазначити, що сам екран складається з безлічі елементів і електронна схема управління таким екраном дуже складна.
Фізика твердого тіла.Людство завжди використовувало і використовуватиме тверді тіла. Але якщо раніше фізика твердого тіла відставала від розвитку технології, що ґрунтується на безпосередньому досвіді, то тепер становище змінилося. Теоретичні дослідження призводять до створення твердих тіл, властивості яких незвичайні.
Отримати такі тіла методом спроб і помилок було б неможливо. Створення транзисторів, про які йтиметься надалі, – яскравий приклад того, як розуміння структури твердих тіл призвело до революції у всій радіотехніці.
Отримання матеріалів із заданими механічними, магнітними, електричними та іншими властивостями - один із основних напрямків сучасної фізики твердого тіла. Приблизно половина фізиків світу працюють зараз у цій галузі фізики.
Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами та рідинами. Їхні атоми або молекули розташовуються у відносному порядку. Розуміння структури твердих тіл (кристалічних та аморфних) дозволяє створювати матеріали із заданими властивостями.

???
1. Чим відрізняються аморфні тіла від кристалічних?
2. Наведіть приклади аморфних тіл.
3. Чи виникла б професія склодува, якби скло було кристалічним тілом, а чи не аморфним?

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

ФІЗИКА 8 КЛАС

Доповідь на тему:

Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.

учениця 8 "б" класу:

2009

Аморфні тіла.

Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина - залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін - поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.

Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а з твердого стану перетворюються одразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла - кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.

Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму воронки і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже завжди зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.

Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах немає строгого порядку розташування їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому - в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок - молекул оксиду кремнію SiO 2 .

Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.

Частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються. Вони частіше ніж частинки кристалів можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.

Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, спокої в теплому місці, через кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.

Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.

Плавлення аморфних тіл.

У міру зростання температури енергія коливального руху атомів у твердому тілі зростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло перетворюється на рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.

Кількість тепла, необхідне перетворення одиниці маси речовини на рідину за нормальної температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ .

Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:

Q = λ · m .

Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тіла на противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.

Більшість речовин у помірному кліматі Землі перебувають у твердому стані. Тверді тіла зберігають як форму, а й обсяг.

За характером відносного розташування частинок тверді тіла ділять на три види: кристалічні, аморфні та композити.

Аморфні тіла.Прикладами аморфних тіл можуть бути скло, різні затверділі смоли (бурштин), пластики тощо. буд. Якщо аморфне тіло нагрівати, воно поступово розм'якшується, і перехід у рідкий стан займає значний інтервал температур.

Подібність до рідин пояснюється тим, що атоми і молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають час «осілого життя». Певної температури плавлення немає, тому аморфні тіла можна як переохолодження рідини з дуже великою в'язкістю. Відсутність далекого порядку розташування атомів аморфних тіл призводить до того, що речовина в аморфному стані має меншу щільність, ніж у кристалічному.

Безлад у розташуванні атомів аморфних тіл призводить до того, що середня відстань між атомами по різних напрямках однакова, тому вони ізотропні, тобто всі фізичні властивості (механічних, оптичних і т. д.) не залежать від напрямку зовнішнього впливу. Ознакою аморфного тіла є неправильна форма поверхні при зламі. Аморфні по події тіла після тривалого проміжку часу все ж таки змінюють свою форму під дією сили тяжіння. Цим вони схожі на рідину. У разі підвищення температури така зміна форми відбувається швидше. Аморфний стан нестійкий, відбувається перехід аморфного стану в кристалічний. (Скло мутніє.)

Кристалічні тіла.За наявності періодичності розташування атомів (дальнього порядку) тверде тіло є кристалічним.

Якщо розглянути за допомогою лупи або мікроскопа крупинки солі, можна помітити, що вони обмежені плоскими гранями. Наявність таких граней – ознака перебування у кристалічному стані.

Тіло, що є одним кристалом, називається монокристалом. Більшість кристалічних тіл складається з безлічі розташованих безладно дрібних кристалів, які зрослися між собою. Такі тіла називаються полікристалами. Шматок цукру – полікристалічне тіло. Кристали різних речовин мають різноманітну форму. Розміри кристалів також різноманітні. Розміри кристалів полікристалічного типу можуть змінюватися з часом. Дрібні кристали заліза переходять у великі, цей процес прискорюється при ударах і струсах, він відбувається в сталевих мостах, залізничних рейках і т. д., від цього міцність споруди з часом зменшується.

Дуже багато тіл однакового хімічного складу в кристалічному стані в залежності від умов можуть існувати в двох або більше різновидах. Ця властивість називається поліморфізмом. Біля льоду відомо до десяти модифікацій. Поліморфізм вуглецю - графіт та алмаз.

Істотною властивістю монокристалу є анізотропія – неоднаковість його властивостей (електричні, механічні тощо) за різними напрямками.

Полікристалічні тіла ізотропні, тобто виявляють однакові властивості по всіх напрямках. Пояснюється це тим, що кристали, з яких складається полікристалічне тіло, орієнтовані один до одного хаотично. В результаті жоден із напрямків не відрізняється від інших.

Створено композиційні матеріали, механічні характеристики яких перевершують природні матеріали. Композиційні матеріали (композити)складаються з матриці та наповнювачів. Як матриця застосовуються полімерні, металеві, вуглецеві або керамічні матеріали. Наповнювачі можуть складатися з ниткоподібних кристалів, волокон чи дроту. Зокрема, до композиційних матеріалів відносять залізобетон та залізографіт.

Залізобетон – один із основних видів будівельних матеріалів. Він являє собою поєднання бетону та сталевої арматури.

Залізографіт - металокерамічний матеріал, що складається із заліза (95-98%) та графіту (2-5%). З нього виготовляють підшипники, втулки для різних вузлів машин та механізмів.

Склопластик - також композиційний матеріал, що є сумішшю скляних волокон і затверділої смоли.

Кістки людини і тварин є композиційним матеріалом, що складається з двох абсолютно різних компонентів: колагену і мінеральної речовини.

Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа та рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах не спостерігається строгого порядку розташування їх частинок. На відміну від кристалів, де існує далекий порядоку розташуванні частинок, у будові аморфних тіл є ближній порядок.Це означає, що якась упорядкованість розташування частинок зберігається лише поблизу кожної окремої частки (див. рисунок).

На верхній частині малюнка зображено розташування частинок кристалічному кварці, на нижній – в аморфній формі існування кварцу. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO2.

Як і частинки будь-яких тіл, частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються і частіше, ніж частинки кристалів, можуть перескакувати з місця на місце.Цьому сприяє те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно - між їх частинками подекуди є порівняно великі проміжки. Однак це не те, що «вакансії» в кристалах (див. § 7-е).

Кристалізація аморфних тіл.З часом (тижня, місяці) деякі аморфні тіла мимоволіпереходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники чи мед, залишені у спокої кілька місяців, стають непрозорими. У цьому випадку кажуть, що мед та льодяники «зацукрилися». Розломивши зацукрований льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися, і раніше існував в аморфному стані.

Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є стійкішим, ніж аморфний.МКТ це пояснює так. Сили відштовхування «сусідок» змушують частки аморфного тіла переміщатися переважно туди, де є великі проміжки. В результаті виникає більш упорядковане розташування частинок, тобто відбувається кристалізація.

Перевір себе:

1. Мета цього параграфу – познайомитись...
2. Яку порівняльну характеристику ми надали аморфним тілам?
3. Для досвіду використовуємо наступне обладнання та матеріали: ...
4. Під час підготовки до досвіду ми...
5. Що ми побачимо під час досвіду?
6. Який результат досвіду зі стеариновою свічкою та шматком пластиліну?
7. На відміну від аморфних тіл, кристалічні тіла...
8. При плавленні кристалічного тіла...
9. На відміну від кристалічних тіл, аморфні...
10. До аморфних тіл відносять тіла, для яких...
11. Що робить аморфні тіла схожими на рідину? Вони...
12. Опишіть початок досвіду щодо підтвердження плинності аморфних тіл.
13. Опишіть результат досвіду щодо підтвердження плинності аморфних тіл.
14. Сформулюйте висновок із досвіду.
15. Звідки нам відомо, що аморфні тіла не мають суворого порядку в розташуванні їх частинок?
16. Як ми розуміємо термін «ближній порядок» у розташуванні частинок аморфного тіла?
17. Однакові молекули оксиду кремнію є як кристалічної, так і...
18. Яким є характер руху частинок аморфного тіла?
19. Який характер розташування частинок аморфного тіла?
20. Що може відбуватися з аморфними тілами з часом?
21. Як можна переконатися в наявності полікристалів цукру в льодянику або в меді, що зацукрився?
22. Чому ми вважаємо, що кристалічний стан речовини стійкіший, ніж аморфний?
23. Як МКТ пояснює самостійну кристалізацію деяких аморфних тіл?

ФІЗИКА 8 КЛАС

Доповідь на тему:

Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.

учениця 8 "б" класу:

2009

Аморфні тіла.

Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина – залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін – поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.

Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а з твердого стану перетворюються одразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла – кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.

Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму воронки і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже завжди зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.

Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах немає строгого порядку розташування їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому – в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO 2 .

Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.

Частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються. Вони частіше ніж частинки кристалів можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.

Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, спокої в теплому місці, через кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.

Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.

Плавлення аморфних тіл.

У міру зростання температури енергія коливального руху атомів у твердому тілі зростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло перетворюється на рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.

Кількість тепла, необхідне перетворення одиниці маси речовини на рідину за нормальної температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ .

Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:

Q = λ · m .

Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тіла на противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.