Pored kristalnih čvrstih materija, postoje i amorfne čvrste materije. Amorfna tijela, za razliku od kristala, nemaju strogi red u rasporedu atoma. Samo su najbliži atomi - susjedi - raspoređeni u nekom redoslijedu. Ali
ne postoji striktno ponavljanje u svim pravcima istog strukturnog elementa, što je karakteristično za kristale, u amorfnim tijelima.
Često ista supstanca može biti i u kristalnom i u amorfnom stanju. Na primjer, kvarc može biti u kristalnom i amorfnom obliku (silicijum dioksid). Kristalni oblik kvarca može se shematski predstaviti kao rešetka pravilnih šesterokuta (slika 77, a). Amorfna struktura kvarca također ima oblik rešetke, ali nepravilnog oblika. Uz šesterokute, sadrži peterokute i sedmouglove (slika 77, b).
Osobine amorfnih tijela. Sva amorfna tijela su izotropna: njihova fizička svojstva su ista u svim smjerovima. Amorfna tijela uključuju staklo, mnoge plastike, smolu, kolofonij, šećerne bombone, itd.
Pod vanjskim utjecajima, amorfna tijela pokazuju kako elastična svojstva, poput čvrstih tijela, tako i fluidnost, poput tekućina. Kod kratkotrajnih udara (udara) ponašaju se kao čvrsto tijelo i pri snažnom udaru se raspadaju u komade. Ali uz veoma dugu ekspoziciju, amorfna tijela teku. Tako se, na primjer, komad smole postupno širi preko čvrste površine. Atomi ili molekuli amorfnih tijela, kao i molekuli tekućine, imaju određeno vrijeme "sređenog života" - vrijeme oscilacija oko ravnotežnog položaja. Ali za razliku od tečnosti, imaju veoma dugo vreme. U tom pogledu, amorfna tijela su bliska kristalnim, jer se rijetko dešavaju skokovi atoma iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.
Na niskim temperaturama, amorfna tijela po svojim svojstvima podsjećaju na čvrsta tijela. Gotovo da nemaju tečnost, ali kako temperatura raste, postepeno omekšaju i njihova svojstva se sve više približavaju svojstvima tečnosti. To je zato što kako temperatura raste, skokovi atoma iz jedne pozicije postepeno postaju sve češći.
ravnotežu prema drugom. Amorfna tijela, za razliku od kristalnih, nemaju određenu tačku topljenja.
Fizika čvrstog stanja. Sva svojstva čvrstih tijela (kristalnih i amorfnih) mogu se objasniti na osnovu poznavanja njihove atomske i molekularne strukture i zakona kretanja molekula, atoma, jona i elektrona koji čine čvrsta tijela. Proučavanja svojstava čvrstih tijela ujedinjena su u velikom području moderne fizike - fizici čvrstog stanja. Razvoj fizike čvrstog stanja stimulisan je uglavnom potrebama tehnologije. Otprilike polovina svjetskih fizičara radi na polju fizike čvrstog stanja. Naravno, dostignuća u ovoj oblasti su nezamisliva bez dubokog poznavanja svih drugih grana fizike.
1. Po čemu se kristalna tijela razlikuju od amorfnih? 2. Šta je anizotropija? 3. Navedite primjere monokristalnih, polikristalnih i amorfnih tijela. 4. Po čemu se ivične dislokacije razlikuju od vijčanih?
Mora se imati na umu da nemaju sva tijela koja postoje na planeti Zemlji kristalnu strukturu. Izuzeci od pravila nazivaju se "amorfna tijela". Po čemu se razlikuju? Na osnovu prijevoda ovog pojma - amorfni - može se pretpostaviti da se takve tvari razlikuju od drugih po svom obliku ili izgledu. Govorimo o odsustvu takozvane kristalne rešetke. Proces cijepanja, u kojem se pojavljuju lica, ne dolazi. Amorfna tijela se razlikuju i po tome što ne zavise od okoline, a svojstva su im konstantna. Takve tvari se nazivaju izotropne.
Mala karakteristika amorfnih tijela
Iz školskog predmeta fizike može se prisjetiti da amorfne tvari imaju strukturu u kojoj su atomi u njima raspoređeni na haotičan način. Samo susjedni objekti mogu imati određeno mjesto, gdje je takav raspored iznuđen. Ali ipak, povlačeći analogiju s kristalima, amorfna tijela nemaju strogi poredak molekula i atoma (u fizici se ovo svojstvo naziva "redoslijed dugog dometa"). Kao rezultat istraživanja, ustanovljeno je da su ove tvari po strukturi slične tekućinama.
Neka tijela (kao primjer možemo uzeti silicijum dioksid čija je formula SiO 2) mogu istovremeno biti u amorfnom stanju i imati kristalnu strukturu. Kvarc u prvoj verziji ima nepravilnu strukturu rešetke, u drugoj - pravilan šesterokut.
Nekretnina #1
Kao što je već spomenuto, amorfna tijela nemaju kristalnu rešetku. Njihovi atomi i molekuli imaju poredak kratkog dometa, što će biti prvo karakteristično svojstvo ovih supstanci.
Nekretnina #2
Ova tijela su lišena fluidnosti. Kako bismo bolje objasnili drugu osobinu tvari, možemo to učiniti na primjeru voska. Nije tajna da ako sipate vodu u lijevak, ona će jednostavno izliti iz njega. Isto će biti i sa svim drugim tekućim supstancama. A svojstva amorfnih tijela im ne dozvoljavaju takve "trikove". Ako se vosak stavi u lijevak, tada će se prvo raširiti po površini i tek onda početi oticati iz nje. To je zbog činjenice da molekuli u tvari skaču iz jedne ravnotežne pozicije u potpuno drugu bez da imaju glavnu lokaciju.
Nekretnina #3
Vrijeme je da razgovaramo o procesu topljenja. Treba imati na umu da amorfne tvari nemaju određenu temperaturu na kojoj počinje topljenje. Kako stepen raste, tijelo postepeno postaje mekše, a zatim se pretvara u tečnost. Fizičari se uvijek fokusiraju ne na temperaturu na kojoj je ovaj proces počeo da se odvija, već na odgovarajući raspon temperature topljenja.
Nekretnina #4
To je već pomenuto gore. Amorfna tijela su izotropna. Odnosno, njihova svojstva u bilo kojem smjeru su nepromijenjena, čak i ako su uvjeti boravka na mjestima drugačiji.
Nekretnina #5
Barem jednom je svaka osoba primijetila da su u određenom vremenskom periodu naočale počele da se zamagljuju. Ovo svojstvo amorfnih tijela povezano je s povećanom unutrašnjom energijom (višestruko je veća od one kristala). Zbog toga ove tvari mogu lako same prijeći u kristalno stanje.
Prijelaz u kristalno stanje
Nakon određenog vremenskog perioda, svako amorfno tijelo prelazi u kristalno stanje. To se može primijetiti u uobičajenom životu osobe. Na primjer, ako ostavite lizalicu ili med nekoliko mjeseci, primijetit ćete da su oboje izgubili svoju prozirnost. Običan čovjek će reći da su samo zašećereni. Zaista, ako razbijete tijelo, možete vidjeti prisustvo kristala šećera.
Dakle, govoreći o tome, potrebno je pojasniti da je spontana transformacija u drugo stanje posljedica činjenice da su amorfne tvari nestabilne. Upoređujući ih s kristalima, može se shvatiti da su potonji višestruko „moćniji“. Činjenica se može objasniti zahvaljujući intermolekularnoj teoriji. Prema njenim riječima, molekuli neprestano skaču s jednog mjesta na drugo i na taj način popunjavaju praznine. Vremenom se formira stabilna kristalna rešetka.
Topljenje amorfnih tijela
Proces topljenja amorfnih tijela je trenutak kada s porastom temperature sve veze između atoma kolabiraju. Tada se supstanca pretvara u tečnost. Ako su uslovi topljenja takvi da je pritisak isti tokom čitavog perioda, tada se i temperatura mora fiksirati.
tečni kristali
U prirodi postoje tijela koja imaju strukturu tečnih kristala. U pravilu su uključeni u listu organskih tvari, a njihovi molekuli imaju filamentni oblik. Tela o kojima je reč imaju svojstva tečnosti i kristala, odnosno fluidnost i anizotropiju.
U takvim supstancama molekule su paralelne jedna s drugom, međutim između njih postoji nefiksna udaljenost. Stalno se kreću, ali nisu skloni mijenjanju orijentacije, stoga su stalno u jednom položaju.
Amorfni metali
Amorfni metali su običnom čovjeku poznatiji kao metalna stakla.
Još 1940. godine naučnici su počeli da govore o postojanju ovih tela. Već tada je postalo poznato da metali posebno dobijeni vakuumskim taloženjem nemaju kristalne rešetke. I samo 20 godina kasnije proizvedeno je prvo staklo ove vrste. Nije izazvalo posebnu pažnju među naučnicima; i tek nakon još 10 godina o tome su počeli da pričaju američki i japanski profesionalci, a potom i korejski i evropski.
Amorfni metali karakteriziraju žilavost, dovoljno visoka čvrstoća i otpornost na koroziju.
U prethodnom paragrafu smo saznali da su neke čvrste materije (na primjer, sol, kvarc, metali i druge) mono- ili polikristali. Hajde da se sada upoznamo amorfna tela. Oni zauzimaju srednji položaj između kristala i tekućina, tako da se ne mogu jednoznačno nazvati čvrstim.
Hajde da napravimo eksperiment. Trebat će nam: komad plastelina, stearinska svijeća i električni grijač. Stavite plastelin i svijeću na jednake udaljenosti od grijača. Uskoro će se dio svijeće otopiti, dio će ostati u obliku čvrstog tijela, a plastelin će "omekšati". Nešto kasnije, sav stearin će se otopiti, a plastelin će se postupno "rasprostirati", postajući potpuno mekani.
Kao stearin, postoje i drugi kristalne supstance, koji pri zagrevanju ne omekšaju, a tokom topljenja uvek se vidi i tečnost i deo tela koji se još nije otopio. Ovo su, na primjer, svi metali. Ali postoje i oni amorfne supstance, koji pri zagrevanju postepeno omekšaju, postaju sve tečniji, pa je nemoguće odrediti temperaturu na kojoj se telo pretvara u tečnost (topi se).
Amorfna tijela na bilo kojoj temperaturi imaju fluidnost. Potvrdimo to iskustvom. Ubacimo komadić amorfne tvari u stakleni lijevak i ostavimo ga u toploj prostoriji (na slici - katranska smola; od nje se pravi asfalt). Nakon nekoliko sedmica ispostavit će se da je smola poprimila oblik lijevka i da je čak počela da teče iz njega poput "mlaznjaka". To je amorfno telo se ponaša kao veoma gusta i viskozna tečnost.
Struktura amorfnih tijela. Elektronski mikroskop i rendgenske studije pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Za razliku od kristala, gde ima narudžba na daljinu samo u rasporedu čestica, u strukturi amorfnih tijela nalog kratkog dometa- određeni poredak rasporeda čestica je očuvan samo u blizini svake pojedinačne čestice(vidi sliku). Na vrhu je prikazan raspored čestica u kristalnom kvarcu, na dnu je prikazan raspored čestica u amorfnom obliku kvarca. Ove supstance se sastoje od istih čestica - molekula silicijum oksida SiO 2.
Kao i čestice svakog tijela, čestice amorfnih tijela vibriraju kontinuirano i nasumično i češće nego što čestice kristala mogu skočiti s mjesta na mjesto. To je olakšano činjenicom da čestice amorfnih tijela nisu jednako guste, ponekad stvarajući relativno velike praznine. Međutim, to nije isto što i "prazna mjesta" u kristalima (vidi § 7-e).
Kristalizacija amorfnih tijela. Vremenom (sedmicama, mesecima) amorfne supstance spontano preći u kristalno stanje. Na primjer, šećerna bombona ili med, ostavljeni nekoliko mjeseci, postaju neprozirni. U ovom slučaju kažu da su med i bomboni "kandirani". Razbijajući takvu lizalicu ili žličicom grabimo takav med, vidjet ćemo nastale kristale šećera, koji su prije postojali u amorfnom stanju.
Spontana kristalizacija amorfnih tijela ukazuje na to kristalno stanje materije je stabilnije od amorfnog stanja. MKT to objašnjava na ovaj način. Sile privlačenja i odbijanja "susjeda" pokreću čestice amorfnog tijela na pozicije gdje je potencijalna energija minimalna(vidi § 7-d). U tom slučaju nastaje uređeniji raspored čestica, što znači da dolazi do nezavisne kristalizacije.
Čvrsto tijelo je jedno od četiri osnovna stanja materije, osim tečnosti, gasa i plazme. Karakterizira ga strukturna krutost i otpornost na promjene oblika ili volumena. Za razliku od tečnosti, čvrsti predmet ne teče niti poprima oblik posude u koju se nalazi. Čvrsta materija se ne širi da bi ispunila svoju raspoloživu zapreminu, kao što to čini gas.
Atomi u čvrstom stanju su međusobno usko povezani, nalaze se u uređenom stanju na čvorovima kristalne rešetke (to su metali, obični led, šećer, so, dijamant), ili su raspoređeni nepravilno, nemaju strogu ponovljivost u struktura kristalne rešetke (to su amorfna tijela, poput prozorskog stakla, kolofonija, liskuna ili plastike).
Kristalna tijela
Kristalne čvrste tvari ili kristali imaju karakterističnu unutarnju karakteristiku - strukturu u obliku kristalne rešetke u kojoj atomi, molekuli ili ioni tvari zauzimaju određeni položaj.
Kristalna rešetka dovodi do postojanja posebnih ravnih površina u kristalima koje razlikuju jednu supstancu od druge. Kada je izložena rendgenskim zracima, svaka kristalna rešetka emituje karakterističan uzorak koji se može koristiti za identifikaciju supstance. Površine kristala se sijeku pod određenim uglovima koji razlikuju jednu supstancu od druge. Ako je kristal podijeljen, tada će se nova lica sjeći pod istim uglovima kao i originalna.
Na primjer, galena - galena, pirit - pirit, kvarc - kvarc. Površine kristala se seku pod pravim uglom u galenit (PbS) i pirit (FeS 2), pod drugim uglovima u kvarcu.
Svojstva kristala
- konstantan volumen;
- ispravan geometrijski oblik;
- anizotropija - razlika u mehaničkim, svjetlosnim, električnim i toplinskim svojstvima iz smjera u kristalu;
- dobro definisana tačka topljenja, jer zavisi od pravilnosti kristalne rešetke. Međumolekularne sile koje drže čvrstu supstancu zajedno su uniformne i potrebna je ista količina toplotne energije da se svaka interakcija prekine u isto vreme.
Amorfna tela
Primjeri amorfnih tijela koja nemaju strogu strukturu i ponovljivost ćelija kristalne rešetke su: staklo, smola, teflon, poliuretan, naftalen, polivinil hlorid.
Imaju dva karakteristična svojstva: izotropnost i odsustvo određene tačke topljenja.
Pod izotropijom amorfnih tijela podrazumijeva se istovjetnost fizičkih svojstava tvari u svim smjerovima.
U amorfnom čvrstom stanju, udaljenost do susjednih čvorova kristalne rešetke i broj susjednih čvorova varira u cijelom materijalu. Stoga je za prekid međumolekularnih interakcija potrebna druga količina toplinske energije. Posljedično, amorfne tvari polako omekšaju u širokom temperaturnom rasponu i nemaju jasnu tačku topljenja.
Karakteristika amorfnih čvrstih materija je da na niskim temperaturama imaju svojstva čvrstih materija, a sa povećanjem temperature - svojstva tečnosti.
AMORPNA TIJELA(grč. amorfos - bezobličan) - tijela u kojima su elementarne kompozitne čestice (atomi, ioni, molekuli, njihovi kompleksi) nasumično raspoređeni u prostoru. Za razlikovanje amorfnih tijela od kristalnih (vidi Kristali), koristi se analiza difrakcije rendgenskih zraka (vidi). Kristalna tijela na rendgenskim zracima daju jasno definiran uzorak difrakcije u obliku prstenova, linija, mrlja, a amorfna tijela daju mutnu nepravilnu sliku.
Amorfna tela imaju sledeće karakteristike: 1) u normalnim uslovima su izotropna, odnosno njihova svojstva (mehanička, električna, hemijska, termička i dr.) su ista u svim pravcima; 2) nemaju određenu tačku topljenja, a kako temperatura raste, većina amorfnih tijela, postepeno omekšavajući, prelazi u tečno stanje. Stoga se amorfna tijela mogu smatrati prehlađenim tekućinama koje nisu imale vremena da se kristaliziraju zbog naglog povećanja viskoznosti (vidi) zbog povećanja sila interakcije između pojedinačnih molekula. Mnoge tvari, ovisno o načinu pripreme, mogu biti u amorfnom, srednjem ili kristalnom stanju (proteini, sumpor, silicijum itd.). Međutim, postoje supstance koje su praktično u samo jednom od ovih stanja. Dakle, većina metala, soli je u kristalnom stanju.
Amorfna tijela su široko rasprostranjena (staklo, prirodne i umjetne smole, guma i dr.). Umjetni polimerni materijali, koji su ujedno i amorfna tijela, postali su nezamjenjivi u tehnici, svakodnevnom životu, medicini (lakovi, boje, plastike za protetiku, razne polimerne folije).
U divljim životinjama amorfna tijela uključuju citoplazmu i većinu strukturnih elemenata stanica i tkiva, koji se sastoje od biopolimera - dugolančanih makromolekula: proteina, nukleinskih kiselina, lipida, ugljikohidrata. Molekuli biopolimera lako stupaju u interakciju jedni s drugima, dajući agregate (vidi Agregacija) ili rojeve-koacervate (vidi Koacervacija). Amorfna tijela se također nalaze u ćelijama u obliku inkluzija, rezervnih supstanci (škrob, lipidi).
Karakteristika polimera koji su dio amorfnih tijela bioloških objekata je prisustvo uskih granica fizičko-hemijskih zona reverzibilnog stanja, na primjer. kada temperatura poraste iznad kritične, njihova struktura i svojstva (koagulacija proteina) se nepovratno mijenjaju.
Amorfna tijela formirana od niza umjetnih polimera, ovisno o temperaturi, mogu biti u tri stanja: staklasto, visokoelastično i tekuće (viskozno-tečno).
Ćelije živog organizma karakteriziraju prijelazi iz tekućeg u visoko elastično stanje pri konstantnoj temperaturi, na primjer, povlačenje krvnog ugruška, kontrakcija mišića (vidi). U biološkim sistemima, amorfna tijela igraju odlučujuću ulogu u održavanju citoplazme u stacionarnom stanju. Važna je uloga amorfnih tijela u održavanju oblika i čvrstoće bioloških objekata: celulozne ljuske biljnih stanica, ljuske spora i bakterija, kože životinja itd.
Bibliografija: Bresler S. E. i Yerusalimsky B. L. Fizika i hemija makromolekula, M.-L., 1965; Kitaygorodsky A. I. Analiza difrakcije rendgenskih zraka finokristalnih i amorfnih tijela, M.-L., 1952; on je. Red i nered u svijetu atoma, M., 1966; Kobeko P. P. Amorfne supstance, M.-L., 1952; Setlow R. i Pollard E. Molekularna biofizika, trans. sa engleskog, M., 1964.