Oprócz krystalicznych ciał stałych istnieją ciała amorficzne. Ciała amorficzne, w przeciwieństwie do kryształów, nie mają ścisłego porządku w ułożeniu atomów. Tylko najbliższe atomy - sąsiedzi - są ułożone w pewnym porządku. Ale
w ciałach amorficznych nie ma ścisłego powtórzenia we wszystkich kierunkach tego samego elementu strukturalnego, co jest charakterystyczne dla kryształów.
Często ta sama substancja może występować zarówno w stanie krystalicznym, jak i amorficznym. Na przykład kwarc może występować zarówno w postaci krystalicznej, jak i amorficznej (krzemionka). Krystaliczną formę kwarcu można schematycznie przedstawić jako sieć regularnych sześciokątów (ryc. 77, a). Amorficzna struktura kwarcu ma również postać siatki, ale o nieregularnym kształcie. Wraz z sześciokątami zawiera pięciokąty i siedmiokąty (ryc. 77, b).
Właściwości ciał amorficznych. Wszystkie ciała amorficzne są izotropowe: ich właściwości fizyczne są takie same we wszystkich kierunkach. Ciała amorficzne obejmują szkło, wiele tworzyw sztucznych, żywicę, kalafonię, cukier cukierkowy itp.
Pod wpływem czynników zewnętrznych ciała amorficzne wykazują zarówno właściwości elastyczne, jak ciała stałe, jak i płynność, jak ciecze. Przy krótkotrwałych uderzeniach (uderzeniach) zachowują się jak ciało stałe i przy silnym uderzeniu rozpadają się na kawałki. Ale przy bardzo długim czasie naświetlania płyną ciała amorficzne. Na przykład kawałek żywicy stopniowo rozprzestrzenia się na stałą powierzchnię. Atomy lub cząsteczki ciał amorficznych, podobnie jak cząsteczki cieczy, mają określony czas „życia osiadłego” – czas oscylacji wokół położenia równowagi. Ale w przeciwieństwie do płynów, mają bardzo długi czas. Pod tym względem ciała amorficzne są zbliżone do ciał krystalicznych, ponieważ rzadko zdarzają się przeskoki atomów z jednej pozycji równowagi do drugiej.
W niskich temperaturach ciała amorficzne swoimi właściwościami przypominają ciała stałe. Nie mają prawie żadnej płynności, ale wraz ze wzrostem temperatury stopniowo miękną, a ich właściwości coraz bardziej zbliżają się do właściwości cieczy. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury skoki atomów z jednej pozycji stają się coraz częstsze.
równowagę do innego. Ciała amorficzne, w odróżnieniu od krystalicznych, nie mają określonej temperatury topnienia.
Fizyka ciała stałego. Wszystkie właściwości ciał stałych (krystalicznych i amorficznych) można wyjaśnić w oparciu o znajomość ich budowy atomowej i molekularnej oraz praw ruchu cząsteczek, atomów, jonów i elektronów tworzących ciała stałe. Badania właściwości ciał stałych łączą się w dużym obszarze współczesnej fizyki - fizyce ciała stałego. Rozwój fizyki ciała stałego stymulowany jest głównie potrzebami technologii. Około połowa fizyków na świecie zajmuje się fizyką ciała stałego. Oczywiście osiągnięcia w tej dziedzinie są nie do pomyślenia bez głębokiej wiedzy o wszystkich innych gałęziach fizyki.
1. Czym różnią się ciała krystaliczne od amorficznych? 2. Co to jest anizotropia? 3. Podaj przykłady ciał monokryształowych, polikrystalicznych i amorficznych. 4. Czym dyslokacje krawędziowe różnią się od dyslokacji śrubowych?
Należy pamiętać, że nie wszystkie ciała istniejące na planecie Ziemia mają strukturę krystaliczną. Wyjątki od reguły nazywane są „ciałami amorficznymi”. Czym się różnią? Na podstawie tłumaczenia tego terminu – amorficzny – można założyć, że takie substancje różnią się od innych swoją formą czy wyglądem. Mówimy o braku tzw. sieci krystalicznej. Proces podziału, w którym pojawiają się twarze, nie zachodzi. Ciała amorficzne wyróżniają się także tym, że są niezależne od otoczenia, a ich właściwości są stałe. Takie substancje nazywane są izotropowymi.
Mała charakterystyka ciał amorficznych
Ze szkolnego kursu fizyki można przypomnieć, że substancje amorficzne mają strukturę, w której atomy w nich są ułożone w sposób chaotyczny. Tylko sąsiednie konstrukcje mogą mieć określone miejsce, w którym taki układ jest wymuszony. Ale nadal, powołując się na analogię z kryształami, ciała amorficzne nie mają ścisłego uporządkowania cząsteczek i atomów (w fizyce ta właściwość nazywa się „porządkiem dalekiego zasięgu”). W wyniku badań stwierdzono, że substancje te budową przypominają ciecze.
Niektóre ciała (za przykład możemy wziąć dwutlenek krzemu, którego wzór to SiO 2) mogą jednocześnie znajdować się w stanie amorficznym i mieć strukturę krystaliczną. Kwarc w pierwszej wersji ma nieregularną strukturę siatkową, w drugiej - foremny sześciokąt.
Właściwość nr 1
Jak wspomniano powyżej, ciała amorficzne nie mają sieci krystalicznej. Ich atomy i cząsteczki mają porządek rozmieszczenia krótkiego zasięgu, co będzie pierwszą wyróżniającą właściwością tych substancji.
Właściwość nr 2
Ciała te pozbawione są płynności. Aby lepiej wyjaśnić drugą właściwość substancji, możemy to zrobić na przykładzie wosku. Nie jest tajemnicą, że jeśli wlejesz wodę do lejka, po prostu się z niego wyleje. To samo będzie z każdą inną substancją płynną. A właściwości ciał amorficznych nie pozwalają im na takie „sztuczki”. Jeśli wosk zostanie umieszczony w lejku, najpierw rozleje się po powierzchni, a dopiero potem zacznie z niego spływać. Wynika to z faktu, że cząsteczki substancji przeskakują z jednej pozycji równowagi do zupełnie innej, nie mając głównego położenia.
Właściwość nr 3
Czas porozmawiać o procesie topienia. Należy pamiętać, że substancje amorficzne nie mają określonej temperatury, w której rozpoczyna się topienie. Wraz ze wzrostem stopnia ciało stopniowo staje się bardziej miękkie, a następnie zamienia się w ciecz. Fizycy zawsze skupiają się nie na temperaturze, w której proces ten zaczął zachodzić, ale na odpowiadającym jej zakresie temperatur topnienia.
Właściwość nr 4
Zostało to już wspomniane powyżej. Ciała amorficzne są izotropowe. Oznacza to, że ich właściwości w dowolnym kierunku pozostają niezmienione, nawet jeśli warunki pobytu w miejscach są różne.
Właściwość nr 5
Przynajmniej raz każda osoba zaobserwowała, że po pewnym czasie okulary zaczęły mętnieć. Ta właściwość ciał amorficznych wiąże się ze zwiększoną energią wewnętrzną (jest wielokrotnie większa niż kryształów). Z tego powodu substancje te mogą łatwo same przejść w stan krystaliczny.
Przejście do stanu krystalicznego
Po pewnym czasie każde ciało amorficzne przechodzi w stan krystaliczny. Można to zaobserwować w zwykłym życiu człowieka. Na przykład, jeśli zostawisz lizaka lub miód na kilka miesięcy, zauważysz, że oba utraciły przezroczystość. Zwykły człowiek powie, że są po prostu słodzone. Rzeczywiście, jeśli złamiesz ciało, możesz zobaczyć obecność kryształków cukru.
Mówiąc o tym, należy wyjaśnić, że spontaniczna przemiana w inny stan wynika z faktu, że substancje amorficzne są niestabilne. Porównując je z kryształami można zrozumieć, że te ostatnie są wielokrotnie „potężniejsze”. Fakt ten można wyjaśnić dzięki teorii międzycząsteczkowej. Według niej cząsteczki nieustannie przeskakują z miejsca na miejsce, wypełniając w ten sposób puste przestrzenie. Z biegiem czasu tworzy się stabilna sieć krystaliczna.
Topienie ciał amorficznych
Proces topienia ciał amorficznych to moment, w którym wraz ze wzrostem temperatury zanikają wszystkie wiązania między atomami. Wtedy substancja zamienia się w ciecz. Jeżeli warunki topnienia są takie, że ciśnienie jest takie samo przez cały okres, wówczas należy również ustalić temperaturę.
ciekłe kryształy
W naturze istnieją ciała, które mają strukturę ciekłokrystaliczną. Z reguły znajdują się one na liście substancji organicznych, a ich cząsteczki mają nitkowaty kształt. Ciała, o których mowa, mają właściwości cieczy i kryształów, a mianowicie płynność i anizotropię.
W takich substancjach cząsteczki są do siebie równoległe, jednak istnieje między nimi nieustalona odległość. Są w ciągłym ruchu, ale nie mają skłonności do zmiany orientacji, dlatego stale pozostają w jednej pozycji.
Metale amorficzne
Metale amorficzne są lepiej znane zwykłemu człowiekowi jako szkła metaliczne.
Już w 1940 roku naukowcy zaczęli mówić o istnieniu takich ciał. Już wtedy okazało się, że metale specjalnie otrzymywane metodą osadzania próżniowego nie mają sieci krystalicznych. I dopiero 20 lat później wyprodukowano pierwsze szkło tego typu. Nie wzbudziło to szczególnej uwagi wśród naukowców; i dopiero po kolejnych 10 latach zaczęli o tym mówić profesjonaliści amerykańscy i japońscy, a potem koreańscy i europejscy.
Metale amorficzne charakteryzują się ciągliwością, odpowiednio wysokim poziomem wytrzymałości i odpornością na korozję.
W poprzednim akapicie dowiedzieliśmy się, że niektóre ciała stałe (na przykład sól, kwarc, metale i inne) są mono- lub polikryształami. Poznajmy się teraz ciała amorficzne. Zajmują pozycję pośrednią pomiędzy kryształami a cieczami, dlatego nie można ich jednoznacznie nazwać ciałami stałymi.
Zróbmy eksperyment. Będziemy potrzebować: kawałka plasteliny, świecy stearynowej i grzejnika elektrycznego. Umieść plastelinę i świecę w równych odległościach od grzejnika. Wkrótce część świecy się stopi, część pozostanie w postaci stałego korpusu, a plastelina „zmięknie”. Po pewnym czasie cała stearyna stopi się, a plastelina stopniowo „rozleje się”, stając się całkowicie miękka.
Podobnie jak stearyna, są też inne substancje krystaliczne, które nie miękną po podgrzaniu, a podczas topienia zawsze widać zarówno płyn, jak i część ciała, która jeszcze się nie stopiła. To na przykład wszystkie metale. Ale są też substancje amorficzne, które pod wpływem ogrzewania stopniowo miękną, stają się coraz bardziej płynne, dlatego nie da się określić temperatury, w której ciało zamienia się w ciecz (topi).
Ciała amorficzne w dowolnej temperaturze mają płynność. Potwierdźmy to doświadczeniem. Wrzućmy kawałek amorficznej substancji do szklanego lejka i zostawmy go w ciepłym pomieszczeniu (na rysunku - żywica smołowa; z niej robi się asfalt). Po kilku tygodniach okaże się, że żywica przybrała formę lejka, a nawet zaczęła z niego wypływać niczym „strumień”. To jest ciało amorficzne zachowuje się jak bardzo gęsta i lepka ciecz.
Budowa ciał amorficznych. Badania mikroskopem elektronowym i badania rentgenowskie pokazują, że w ciałach amorficznych nie ma ścisłego porządku w ułożeniu ich cząstek. W przeciwieństwie do kryształów, tam gdzie są zamówienie dalekiego zasięgu tylko w układzie cząstek, w strukturze ciał amorficznych zamówienie krótkiego zasięgu- określony porządek ułożenia cząstek jest zachowany tylko przy każdej pojedynczej cząstce(widzieć zdjęcie). Góra pokazuje rozmieszczenie cząstek w kwarcu krystalicznym, dół pokazuje rozmieszczenie cząstek w amorficznej formie kwarcu. Substancje te składają się z tych samych cząstek - cząsteczek tlenku krzemu SiO2.
Jak cząstki każdego ciała, cząstki ciał amorficznych wibrują w sposób ciągły i losowy i częściej niż cząstki kryształów mogą przeskakiwać z miejsca na miejsce. Sprzyja temu fakt, że cząstki ciał amorficznych nie są jednakowo gęste, tworząc czasami stosunkowo duże szczeliny. Nie jest to jednak to samo, co „wakaty” w kryształach (patrz § 7-e).
Krystalizacja ciał amorficznych. Z biegiem czasu (tygodnie, miesiące) substancje amorficzne spontanicznie przejść w stan krystaliczny. Na przykład cukierek lub miód pozostawione same na kilka miesięcy stają się nieprzezroczyste. W tym przypadku mówią, że miód i słodycze są „kandyzowane”. Rozbijając taki lizak lub nabierając łyżką taki miód, zobaczymy powstałe kryształki cukru, które wcześniej istniały w stanie amorficznym.
Wskazuje na to spontaniczna krystalizacja ciał amorficznych krystaliczny stan materii jest bardziej stabilny niż stan amorficzny. MKT wyjaśnia to w ten sposób. Siły przyciągania i odpychania „sąsiadów” poruszają cząstkami ciała amorficznego do pozycji, w których energia potencjalna jest minimalna(patrz § 7-d). W tym przypadku powstaje bardziej uporządkowany układ cząstek, co oznacza, że następuje niezależna krystalizacja.
Ciało stałe to jeden z czterech podstawowych stanów materii, obok cieczy, gazu i plazmy. Charakteryzuje się sztywnością konstrukcji i odpornością na zmiany kształtu czy objętości. W przeciwieństwie do cieczy, ciało stałe nie płynie ani nie przybiera kształtu pojemnika, w którym się znajduje. Ciało stałe nie rozszerza się, aby wypełnić dostępną objętość, tak jak gaz.
Atomy w ciele stałym są ze sobą ściśle powiązane, znajdują się w stanie uporządkowanym w węzłach sieci krystalicznej (są to metale, zwykły lód, cukier, sól, diament) lub są ułożone nieregularnie, nie mają ścisłej powtarzalności w struktura sieci krystalicznej (są to ciała amorficzne, takie jak szkło okienne, kalafonia, mika czy plastik).
Ciała krystaliczne
Krystaliczne ciała stałe lub kryształy mają charakterystyczną cechę wewnętrzną - strukturę w postaci sieci krystalicznej, w której atomy, cząsteczki lub jony substancji zajmują określoną pozycję.
Sieć krystaliczna prowadzi do istnienia specjalnych płaskich powierzchni w kryształach, które odróżniają jedną substancję od drugiej. Każda sieć krystaliczna poddana działaniu promieni rentgenowskich emituje charakterystyczny wzór, który można wykorzystać do identyfikacji substancji. Powierzchnie kryształów przecinają się pod pewnymi kątami, które odróżniają jedną substancję od drugiej. Jeśli kryształ zostanie podzielony, nowe ściany będą przecinać się pod tymi samymi kątami, co oryginalna.
Na przykład galena - galena, piryt - piryt, kwarc - kwarc. Ściany kryształów przecinają się pod kątem prostym w galenie (PbS) i pirycie (FeS 2), a pod innymi kątami w kwarcu.
Właściwości kryształu
- stała objętość;
- prawidłowy kształt geometryczny;
- anizotropia - różnica właściwości mechanicznych, świetlnych, elektrycznych i termicznych od kierunku w krysztale;
- dobrze określona temperatura topnienia, ponieważ zależy ona od regularności sieci krystalicznej. Siły międzycząsteczkowe utrzymujące razem ciało stałe są jednakowe i potrzeba takiej samej ilości energii cieplnej, aby przerwać każde oddziaływanie w tym samym czasie.
Ciała amorficzne
Przykładami ciał amorficznych, które nie mają ścisłej budowy i powtarzalności komórek sieci krystalicznej są: szkło, żywica, teflon, poliuretan, naftalen, polichlorek winylu.
Mają dwie charakterystyczne właściwości: izotropię i brak określonej temperatury topnienia.
Przez izotropię ciał amorficznych rozumie się identyczność właściwości fizycznych substancji we wszystkich kierunkach.
W ciele amorficznym odległość do sąsiednich węzłów sieci krystalicznej i liczba sąsiednich węzłów zmienia się w całym materiale. Dlatego do rozbicia oddziaływań międzycząsteczkowych potrzebna jest inna ilość energii cieplnej. W rezultacie substancje amorficzne miękną powoli w szerokim zakresie temperatur i nie mają wyraźnej temperatury topnienia.
Cechą ciał amorficznych jest to, że w niskich temperaturach mają one właściwości ciał stałych, a wraz ze wzrostem temperatury - właściwości cieczy.
CIAŁA AMORFOWE(greckie amorphos - bezkształtne) - ciała, w których elementarne cząstki złożone (atomy, jony, cząsteczki, ich kompleksy) są losowo rozmieszczone w przestrzeni. Aby odróżnić ciała amorficzne od krystalicznych (patrz Kryształy), stosuje się analizę dyfrakcji promieni rentgenowskich (patrz). Ciała krystaliczne na promieniach rentgenowskich dają wyraźnie określony wzór dyfrakcyjny w postaci pierścieni, linii, plamek, a ciała amorficzne dają rozmyty, nieregularny obraz.
Ciała amorficzne mają następujące cechy: 1) w normalnych warunkach są izotropowe, to znaczy ich właściwości (mechaniczne, elektryczne, chemiczne, termiczne itd.) są takie same we wszystkich kierunkach; 2) nie mają określonej temperatury topnienia, a wraz ze wzrostem temperatury większość ciał amorficznych, stopniowo mięknąc, przechodzi w stan ciekły. Dlatego ciała amorficzne można uznać za przechłodzone ciecze, które nie miały czasu na krystalizację z powodu gwałtownego wzrostu lepkości (patrz) z powodu wzrostu sił oddziaływania między poszczególnymi cząsteczkami. Wiele substancji, w zależności od metod przygotowania, może znajdować się w stanie amorficznym, pośrednim lub krystalicznym (białka, siarka, krzemionka itp.). Istnieją jednak substancje, które praktycznie znajdują się tylko w jednym z tych stanów. Tak więc większość soli metali jest w stanie krystalicznym.
Ciała amorficzne są szeroko rozpowszechnione (szkło, żywice naturalne i sztuczne, guma itp.). Sztuczne materiały polimerowe, będące jednocześnie ciałami amorficznymi, stały się niezbędne w technologii, życiu codziennym, medycynie (lakiery, farby, tworzywa sztuczne do protetyki, różne folie polimerowe).
U zwierząt dzikich ciała amorficzne obejmują cytoplazmę oraz większość elementów strukturalnych komórek i tkanek, składających się z biopolimerów - makrocząsteczek o długim łańcuchu: białek, kwasów nukleinowych, lipidów, węglowodanów. Cząsteczki biopolimerów łatwo oddziałują ze sobą, tworząc agregaty (patrz Agregacja) lub roje-koacerwaty (patrz Koacerwacja). Ciała amorficzne występują także w komórkach w postaci wtrąceń, substancji rezerwowych (skrobia, lipidy).
Cechą polimerów wchodzących w skład ciał amorficznych obiektów biologicznych jest występowanie np. wąskich granic stref fizykochemicznych stanu odwracalnego. gdy temperatura wzrośnie powyżej krytycznej, ich struktura i właściwości (koagulacja białek) zmieniają się nieodwracalnie.
Ciała amorficzne utworzone przez szereg sztucznych polimerów, w zależności od temperatury, mogą występować w trzech stanach: szklistym, wysoce elastycznym i ciekłym (lepkim-płynnym).
Komórki żywego organizmu charakteryzują się przejściami ze stanu płynnego do stanu wysoce elastycznego w stałej temperaturze, na przykład cofaniem się skrzepu krwi, skurczem mięśni (patrz). W układach biologicznych ciała amorficzne odgrywają decydującą rolę w utrzymaniu cytoplazmy w stanie stacjonarnym. Ważna jest rola ciał amorficznych w utrzymaniu kształtu i wytrzymałości obiektów biologicznych: otoczka celulozowa komórek roślinnych, skorupa zarodników i bakterii, skóra zwierząt i tak dalej.
Bibliografia: Bresler S. E. i Yerusalimsky B. L. Fizyka i chemia makrocząsteczek, M.-L., 1965; Kitaygorodsky A. I. Analiza dyfrakcji rentgenowskiej ciał drobnokrystalicznych i amorficznych, M.-L., 1952; on jest. Porządek i nieporządek w świecie atomów, M., 1966; Kobeko P. P. Substancje amorficzne, M.-L., 1952; Setlow R. i Pollard E. Biofizyka molekularna, przeł. z języka angielskiego, M., 1964.