Внутрішня будова кристалів. Деформація твердих тіл, види деформації.

1. Тверді тіла

Тверді тіла – це тіла, які зберігають власний об’єм і форму.

Пригадайте

• Як розміщені частинки (атоми, молекули, йони) у твердих тілах?

• Що можна сказати про взаємодію частинок в твердих тілах?

Молекули й атоми можуть лише коливатися навколо положення рівноваги, перейти в інше положення рівноваги молекула не може. Енергія й амплітуда коливань молекул тим більша, що вищою є температура тіла.

https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-basics_uk.html

За впорядкованістю самих положень рівноваги тверді тіла поділяють на аморфні й кристалічні.

2. Аморфні тіла

Аморфні тіла дуже близькі до рідин. Молекули, атоми, йони аморфних тіл взагалі розташовані хаотично, і тільки всередині невеликих локальних груп, які містять усього кілька частинок, вони розташовані в певному порядку (ближній порядок).

У аморфних тіл зберігається ближній порядок у розміщенні частинок (атоми, молекули, йони), але відсутній дальній (скло, різні затверділі смоли (янтар), пластики).

Властивості аморфних тіл:

1) ізотропія – фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, міцність, оптичні властивості) однакові у всіх напрямках;

2) не мають певної температури плавлення й питомої теплоти плавлення (з підвищенням температури вони поступово перетворюються на рідину);

3) пластичність (вони не відновлюють форму після припинення дії деформуючої сили);

4) нестійкість (через деякий час аморфна речовина переходить у кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки й десятиліття). До таких речовин належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом багатьох років воно мутніє: у ньому утворюються дрібні кристалики силікатів).

3. Кристалічні тіла

Більшість твердих тіл є кристалічними. 100 мільйонів років тому шари, близькі до поверхні нашої планети, затверділи й утворили земну кору. Саме в той час й утворились більшість представлених тут кристалів, подібно до льоду при замерзанні води. Слово «кристал» в перекладі з грецької – лід. Щоправда, спочатку так називали кварци, вважаючи що ці напівпрозорі кристали утворились з води в суворих умовах гірських вершин Альп. Надалі й всі тверді правильні природні утворення стали називати «кристалами».

Як розміщені в них атоми?

Ще в 1912 році дослідженнями за допомогою рентгенівських променів було доведено, що атоми і молекули кристалів розміщені в певному порядку. Структура кристалу.mp4

Кристали - це тверді тіла, в яких атоми або молекули розміщені впорядковано і утворюють періодично повторювану внутрішню структуру. Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску. В’язкість таких речовин під час нагрівання зменшується, вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово. Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише об'єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь – якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників.

Кристали поділяються на монокристали та полікристали

4. Монокристали та полікристали.

Іноді весь шматок твердої речовини може становити один кристал. Такими є, наприклад, алмаз, кухонна сіль, кварц, лід. Усе це окремі кристали, їх називають монокристалами.

А які ж властивості обумовлює специфічна будова монокристалів?

1. Геометрична форма (правильна).

2. Постійна температура плавлення.

3. Анізотропія

Що ви спостерігаєте, коли ведете простим олівцем по аркушу паперу?

• Графітове осердя залишає слід на папері.

А чи доводилося вам розрізати графітове осердя в поперек? Таке явище в фізиці називається анізотропією.

Механічна міцність багатьох кристалів різна в різних напрямках: шматок слюди легко розшаровується на тонкі пластинки в одному напрямку, але його набагато складніше розламати перпендикулярно до пластинок. Від напрямку, обраного в кристалі, залежать його теплопровідність, електропровідність, заломлення, прозорість, лінійне розширення та багато інших фізичних властивостей. Анізотропія кристалів зумовлена їх кристалічними ґратками: в різних напрямках відстані між частинками, що утворюють кристалічну ґратку, різні.

Полікристали – тверді тіла, які складаються з багатьох хаотично орієнтованих маленьких кристаликів, що зрослися між собою (метали, глина, сплави металів).

Полікристалічні тіла ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямках.

5. Рідкі кристали

Крім аморфного, відкрито ще один стан речовини з подвійною природою – і рідини, і твердого тіла – це так звані рідкі кристали, особливий стан деяких органічних речовин.

У рідині частинки в цілому розташовані хаотично та можуть вільно обертатись і переміщуватись у будь-яких напрямках.

У кристалічному твердому тілі існує тривимірний далекий порядок і частинки можуть лише коливатися біля положень рівноваги.

У рідкому кристалі є певний ступінь упорядкованості в розташуванні молекул, але й допускається деяка свобода їх переміщення. Найчастіше рідкокристалічний стан спостерігається в органічних речовин, молекули яких мають видовжену або дископодібну форму.

Розрізняють три основні типи рідких кристалів: смектичні, нематичні, холестеричні.

У нематичних рідких кристалах (від грец. «нема» – нитка) молекули схожі на нитки

У смектичних рідких кристалах (від грец. «смегма» – мило) рівень впорядкованості вищий. Молекули смектика згруповані у шари

Прикладом смектика є розчин мила у воді. Коли ми миємо з милом руки, то шари молекул мила легко ковзають один відносно одного і шкіри, забираючи з неї бруд і передаючи його воді.

У холестеричних кристалах молекули мають форму спіралі, крок якої залежить від температури

Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Під час нагрівання вони перетворюються в звичайну рідину, внаслідок охолодження стають твердими кристалами.

Залежність оптичних властивостей рідких кристалів від температури та електричного поля забезпечила їх широке застосування.

Застосування: дисплеї годинників і калькуляторів, персональні комп’ютери, плоскі телевізійні екрани; їх використовують у медицині (наприклад, як індикатори температури).

Так, кут повороту осей молекул у кожному шарі холестеричного рідкого кристала залежить від температури, а від кута повороту залежить забарвлення кристала, тому якщо тонку полімерну плівку з мікропорожнинами, заповненими холестериком, накласти на тіло, то вийде кольорове відображення розподілу температури

Що відбудеться якщо:

• на пружинний амортизатор подіяти з певною силою?

• пом’яти в руці шматочок пластиліну?

• натягти тятиву лука?

Деформація. Види деформації

Деформація – це зміна форми та (або) розмірів тіла.

Яка причина виникнення деформації?

Причина виникнення деформації полягає в тому, що під дією сил, прикладених до тіла, його різні частини рухаються по-різному й у результаті частини тіла зміщуються одна відносно одної.

Якщо після припинення дії зовнішніх сил тіло повністю відновило свої форму і розміри, то воно зазнало пружної деформації; якщо форма і розміри не відновилися, тіло зазнало пластичної деформації.

За характером зміщення частин тіла одна відносно одної розрізняють деформації розтягнення, стиснення, зсуву, вигину, кручення.

Пружність, пластичність, крихкість

Пружні матеріали: матеріали, які виявляють пружні властивості за порівняно великих деформацій або за досить тривалої дії.

Пластичні матеріали: матеріали, в яких пружна деформація переходить у пластичну за незначних деформацій.

Крихкі матеріали: Матеріали, які руйнуються за дуже малих деформацій і майже не виявляють пластичних властивостей.