Кристалічні і аморфні тіла

Якщо помістити шматок пластиліну і шматок льоду в тепле місце, то через деякий час частина льоду розплавиться (стане рідиною), а частина - залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той же час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час увесь лід розплавиться, а пластилін - поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, все більш і більш розм'якшуючись.

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

Кристалічні тіла можуть бути монокристалами і полікристалами. Полікристалічні тіла складаються з багатьох зрощених між собою хаотично орієнтованих маленьких кристалів, які називаються кристалітами.

Рисунок 2.11.

На рисунку 2.11 ви бачите збільшену фотографію поверхні відшліфованої алюмінієвої пластини. Чорні лінії на ній - проміжки між окремими кристалами алюмінію. Полікристалічне тіло утворюється в результаті того, що одночасно починають утворюватися відразу безліч кристалів. Так відбувається, наприклад, при застиганні розплавленого олова, цинку і, взагалі, усіх металів. Отже, усі метали мають кристалічну або, точніше, полікристалічну будову.

Великі монокристали рідко зустрічаються в природі. Найчастіше кристалічні тверді тіла, у тому числі і ті, які виготовляють штучно, являються полікристалами.

Теоретично доведено, що усього може існувати 230 різних просторових кристалічних структур. Більшість з них (але не всі) виявлені в природі або створені штучно.

Кристалічні грати металів часто мають форму шестигранної призми (цинк, магній), гранецентрованого куба (мідь, золото) або об'ємноцентрованого куба (залізо).

Структури кристалічних грат експериментально вивчаються за допомогою дифракції рентгенівського випромінювання на монокристалах або полікристалічних зразках, або за допомогою електронного мікроскопа.

На рисунку 2.12 наведені приклади простих кристалічних грат. Слід пам'ятати, що частки в кристалах щільно упаковані, так що відстань між їх центрами приблизно рівна розміру часток. У зображенні кристалічних грат вказується тільки положення центрів часток.

Рисунок 2.12.

Прості кристалічні грати: 1 - прості кубічні грати; 2 - гранецентровані кубічні грати; 3 - об’ємноцентровані кубічні грати; 4 - гексагональні грати.

У простих кубічних гратах частки розташовуються у вершинах куба. У гранецентрованих гратах частки розташовуються не лише у вершинах куба, але і в центрах кожної його грані. У об'ємноцентрованих кубічних гратах додаткова частка розташовується в центрі кожного елементарного кубічного осередку.

Рух часток кристалів. У молекулярно-кінетичній теорії вважається, що частки кристалічних твердих тіл безперервно коливаються біля положень рівноваги. Розмах коливань часток невеликий в порівнянні з розмірами самих часток, тому на фотографіях їх відхилення непомітні. У моделі "кристалічна грата" положення рівноваги часток відмічені вузлами.

Рисунок 2.13.

Коливальний рух часток кристалів - основний їх рух. Проте частки можуть іноді перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє той факт, що в кристалах є дефекти. Наприклад, в порожнє місце в ряду - "дірку" - може перескочити частка з сусіднього ряду (рисунок 2.13). В результаті утворюється нова "дірка". У неї може перескочити частка іншого ряду і так далі. Саме завдяки дефектам кристалічної будови тверді тіла здатні дифундувати один в одного.

Будова аморфних тіл. Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах не спостерігається строгого порядку в розташуванні їх часток. На рисунку 2.14 зображено розташування часток в кристалічному кварці, а на рисунку 2.15 - в аморфному. Ці речовини складаються з одних і тих же часток - молекул оксиду кремнію SiO₂.

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

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

Рисунок 2.14. Рисунок 2.15.

Характерною особливістю аморфних тіл є їх ізотропність, тобто незалежність усіх фізичних властивостей (механічних, оптичних і так далі) від напряму. По своїй структурі аморфні тіла дуже близькі до рідин. Прикладами аморфних тіл можуть служити скло, різні затверділі смоли (бурштин), пластики і т. д. Якщо аморфне тіло нагрівати, то воно поступово розм'якшується, і перехід в рідкий стан займає значний інтервал температур.