Довгий час здавалося, що найцікавіше у фізиці - це дослідження мікросвіту і мікрокосмосу. Саме там намагалися знайти відповіді на найбільш важливі, фундаментальні питання, що пояснюють устрій навколишнього світу. А зараз утворився третій фронт досліджень - вивчення твердих тіл.
Чому ж так важливо досліджувати тверді тіла?
Величезну роль, звичайно, відіграє тут практична діяльність людини. Тверді тіла - це метали і діелектрики, без яких немислима електротехніка, це - напівпровідники, що лежать в основі сучасної електроніки, магніти, понад провідники, конструкційні матеріали. Словом, можна стверджувати, що науково-технічний прогрес значною мірою заснований на використанні твердих тіл.
Але не тільки практична сторона справи важлива при їх вивченні. Сама внутрішня логіка розвитку науки - фізики твердого тіла - привела до розуміння важливості колективних властивостей великих систем.
Тверде тіло складається з мільярда частинок, які взаємодіють між собою. Це обумовлює появу певного порядку в системі і особливих властивостях всієї кількості мікрочасток. Так, колективні властивості електронів визначають електропровідність твердих тіл, а здатність тіла поглинати тепло - теплоємність - залежить від характеру колективних колебаний атомів при тепловому русі. Колективні властивості пояснюють всі основні закономірності поведінки твердих тіл.
Структура твердих тіл багатообразна. Тим не менше, їх можна розділити на два великі класи: кристали і аморфні тіла.
Кристали - це тверді тіла, атоми або молекули яких займають певні, впорядковані положення в просторі
. Тому кристали мають плоскі грані. Наприклад, крупинка звичайної куховарської солі має плоскі грані, складові один з одним прямі кути (рис. 1). Це можна відмітити, розглядаючи сіль за допомогою лупи. Строга періодичність в розташуванні атомів приводить до збереження порядку на великих відстанях (у такому випадку говорять, що є дальній порядок). А як геометрично правильна форма сніжинки! У ній також відбита геометрична правильність внутрішньої будови кристалічного твердого тіла - льоду.
Проте, правильна зовнішня форма не єдиний і навіть не найголовніший наслідок впорядкованої будови кристала. Головне - це залежність фізичних властивостей від вибраного в кристалі напряму . Перш за все, впадає в очі різна механічна міцність кристалів по різних напрямах. Наприклад, шматок слюди легко розшаровується в одному з напрямів на тонкі пластинки, але розірвати його в напрямі, перпендикулярному пластинкам, набагато важче. Так само легко розшаровується в одному напрямі кристал графіту. Коли ви пишете олівцем, таке розшарування відбувається безперервно і тонкі шари графіту залишаються на папері. Це відбувається тому, що кристалічна решітка графіту має шарувату структуру. Шари утворені поряд паралельних сіток, що складаються з атомів вуглецю. Атоми розташовуються у вершинах правильних шестикутників. Відстань між шарами порівняно велика - зразкове в два рази більше, ніж довжина сторони шестикутника, тому зв'язки між шарами менш міцні, чим зв'язки усередині них. Багато кристалів по-різному проводять теплоту і електричний струм в різних напрямах. Від напряму залежать і оптичні властивості кристалів. Так, кристал кварцу по-разному заломлює світло залежно від напряму падаючих на нього променів.
Залежність фізичних властивостей від напряму усередині кристала називають анізотропією
. Всі кристалічні тіла анізотропні.
Кристалічну структуру мають метали. Саме метали переважно використовуються в даний час для виготовлення знарядь праці, різних машин і механізмів.
Якщо узяти порівняно великий шматок металу, то на перший погляд його кристалічна структура ніяк не виявляється ні в зовнішньому вигляді шматка ні в його фізичних властивостях. Метали в звичайному стані не виявляють анізотропії.
Справа тут в тому, що метал зазвичай складається з величезної кількості зрощених один з одним кристаликів. Під мікроскопом або навіть за допомогою лупи їх неважко розглянути, особливо на свіжому зламі металу. Властивості кожного кристала залежать від напряму, але кристали орієнтовані по відношенню один до одного безладно. У результаті в об'ємі, що значно перевищує об'єм окремих кристалів всі напрями усередині металів рівноправні і властивості металів однакові по всіх напрямах.
Тверде тіло, що складається з великої кількості маленьких кристалів, називають монокристалами.
Дотримуючи великі обережності, можна виростити металевий кристал великих розмірів - монокристал. У звичайних умовах полікристалічне тіло утворюється в результаті того, що почався ріст багатьох кристалів продовжується до тих пір, поки вони не приходять в зіткнення один з одним, утворюючи єдине тіло.
До полікристалам відносяться не тільки метали. Шматок цукру, наприклад, також має полікристалічну структуру.
Більшість кристалічних тіл - полікристали, оскільки вони складаються з безлічі зрощених кристалів. Одиночні кристали - монокристали мають правильну геометричну форму, і їх властивості різні по різних напрямах (анізотропія).
Не всі тверді тіла - кристали. Існує безліч аморфних тіл. Чим вони відрізняються від кристалів?
У аморфних тіл немає строгого порядку в розташуванні атомів. Тільки найближчі атоми - сусіди розташовуються у деякому порядку. Але строгою направленості по всім напрямкам одного і того ж елементу структури, яка характерна для кристалів в аморфних тілах, немає.
Часто одне і те ж речовина може знаходитися як у кристалічному, так і в аморфному стані. Наприклад, кварц SiO2, може бути як в кристалічній, так і в аморфній формі (кремнезем). Кристалічну форму кварцу схематично можна представити у вигляді решітки з правильних шестикутників. Аморфна структура кварцу також має вигляд решітки, але неправильної форми. Разом з шестикутниками в ній зустрічаються п'яти і семикутники.
У 1959 р. англійський фізик Д. Бернал провів цікаві досліди: він узяв багато маленьких пластилінових кульок однакового розміру, обваляв їх в крейдяній пудрі і спресував у великий ком. В результаті кульки деформувалися в многогранники. Виявилося, що при цьому утворювалися переважно п'ятикутні грані, а многогранники в середньому мали 13,3 граней. Отже якийсь порядок в аморфних речовинах безумовно є.
Властивості аморфних тіл
. Всі аморфні тіла ізотропні, тобто їх фізичні властивості однакові в усіх напрямках. До аморфних тіл відносяться скло, смола, каніфоль, цукровий льодяник і ін
При зовнішніх діях аморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і текучість, подібно рідині. Так, при короткочасних діях (ударах) вони поводяться як тверді тіла і при сильному ударі розколюються на шматки. Але при дуже тривалій дії аморфні тіла течуть. Простежимо за шматком смоли, який лежить на гладкій поверхні. Поступово смола по ній розтікається, і, чим вище температура, тим швидше це відбувається.
Атоми або молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають певний час "осілому життю" - час коливань біля положення рівноваги. Але на відміну від рідин це час у них вельми великий. Так, для вару при t = 20oC час "осілого життя" 0,1 с. У цьому відношенні аморфні тіла близькі до кристалічних, оскільки перескоки атомів з одного положення рівноваги в інше відбуваються рідко.
Аморфні тіла при низьких температурах по своїх властивостях нагадують тверді тіла. Плинністю вони майже не володіють, але у міру підвищення температури поступово розм'якшуються і їх властивості все більш і більш наближаються до властивостей рідин. Це відбувається тому, що із зростанням температури поступово частішають перескоки атомів з одного положення в інше. Певної температури тіл у аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає.
Фіз...
