Властивості твердих тіл

Твердими називають такі тіла, які зберігають власний об’єм і форму. Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони 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.

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

Кристали — це тверді тіла, у яких атоми або молекули розміщені впорядковано й утворюють періодично повторювану внутрішню структуру.

Періодична повторюваність структури зберігається в усіх напрямках у межах усього кристала. Говорять, що кристал має далекий порядок у розташуванні молекул. Можна виділити маленький об’єм (елементарну комірку), повторенням якої можна побудувати весь кристал, як будинок із цеглин. Іноді весь шматок твердої речовини являє собою один кристал. Такими є, наприклад, окремий шматочок цукру в цукровому піску, шматочок солі, гірського кришталю тощо. Такі кристалічні тіла називають монокристалами.

Елементарна комірка може мати форму куба, паралелепіпеда, призми тощо.

З такою будовою кристалічних тіл пов’язана анізотропія їхніх властивостей, тобто неоднаковість фізичних властивостей у різних напрямках.

Анізотропію виявляють механічні, теплові, електромагнітні й оптичні властивості кристалів, якщо за упорядкованого розміщення атомів, молекул або йонів сили взаємодії між ними й міжатомні відстані є неоднаковими в різних напрямках.

Утворення та використання кристалів. Кристали утворюються в природних умовах і штучно. За припущеннями вчених у природних умовах багато кристалів утворилося внаслідок охолодження рідкої речовини земної кори — магми, що є розплавом різних речовин. Багато мінералів виникли з перенасичених водних розчинів. Першим серед них необхідно назвати кам’яну сіль NaCl. Товщина пластів кам’яної солі, що утворилися під час випаровування води солоних озер, досягає в деяких родовищах кількох сотень метрів.

Штучні кристали можна виростити з розплаву шляхом кристалізації, з розчину та газу. Останнім часом швидкими темпами розвивається технологія вирощування монокристалів усіма відомими способами на космічних орбітальних станціях. Невагомість і космічний вакуум дають змогу вирощувати монокристали небачених раніше розмірів і хімічної чистоти.

Монокристали знайшли широке застосування в сучасній фізиці й техніці. Усі напівпровідникові прилади (діоди, транзистори) є кристалами зі спеціально введеними домішками. Виникла нова галузь електроніки — молекулярна електроніка. Монокристали є основною деталлю таких сучасних приладів, як квантові підсилювачі та генератори (мазери й лазери).

Плавлення кристалів та аморфних тіл. Значна відмінність кристалічних тіл від аморфних виявляється в процесах плавлення і тверднення. Досліди показують, що кристалічні тіла плавляться і тверднуть за певної для кожної речовини температури, яку називають температурою плавлення. Під час нагрівання кристалічного тіла інтенсивність коливального руху молекул у кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що молекули (атоми) вже не можуть утриматися у вузлах ґратки, остання руйнується — відбувається плавлення. Для кожного кристалічного тіла температура плавлення своя.

Збільшення потенціальної енергії молекул приводить до руйнування кристалічної ґратки тіла, тобто до зміни агрегатного стану речовини. Точка С відповідає повному переходу кристалічного тіла в рідину під час плавлення. Ділянка CD графіка відповідає рідкому стану речовини й показує, що під час нагрівання температура рідини змінюється.

Аморфні тіла не мають певної температури плавлення або тверднення. У процесі плавлення (або тверднення) температура аморфних тіл безперервно змінюється.

Рідкі кристали. Наприкінці XIX ст. були відкриті речовини, внутрішня структура яких у рідкому стані мала властивості, характерні як для рідин (велика текучість, здатність перебувати в краплеподібному стані, злиття краплин при зіткненні), так і для твердих тіл (анізотропія). Такий стан речовин було названо мезоморфним, що означає — стан із проміжною структурою, а самі речовини пізніше почали називати рідкими кристалами. Рідкі кристали довгий час не застосовувалися в техніці. Починаючи із середини 60-х років інтерес до рідких кристалів небувало зріс у зв’язку з успішним використанням їх в оптико- й мікроелектроніці, у різних індикаторних пристроях і т. д. За останні десятиліття було створено основи

фізики рідких кристалів, одержано нові типи рідких кристалів, вивчено їхні властивості, які все ширше застосовуються в науці та техніці.

Молекули рідких кристалів мають витягнуту паличкоподібну форму. Саме така форма й визначає їх взаємне розташування всередині речовини — вони розташовані пліч-о-пліч одна до одної в певному порядку. Тому вони можуть рухатися лише вздовж своєї осі, повертатися на певний кут, але при цьому не можуть змінити напрямок свого розташування (на відміну від молекул рідини, які можуть рухатися в усіх напрямках). Нині загальноприйнятою є класифікація рідких кристалів на три основні стани: нематичний, смектичний і холестеричний.

Деформація — зміна розмірів і форми твердого тіла під дією зовнішніх сил (навантажень) або якихось інших впливів (наприклад, температури, електричних чи магнітних полів).

Механічні властивості матеріалів — це здатність матеріалів протистояти деформуванню та руйнуванню, пружно й пластично деформуватися під дією зовнішніх механічних сил.

Величина, яка характеризує здатність матеріалів протидіяти деформації одностороннього розтягу (стиску), називається модулем Юнга (модулем пружності).

На ділянці АВ закон Гука не виконується, але деформація ще залишається пружною. Максимальна напруга, за якої ще не виникає помітна залишкова деформація, називається межею пружності.

Якщо продовжувати розтягувати тіло, то в ньому виникає залишкова деформація (ділянка ВС) — деформація, у результаті якої тіло залишається деформованим після припинення дії зовнішньої сили. Таку деформацію ще називають пластичною.

Подальше видовження тіла відбувається майже без збільшення напруги в ньому, тому кажуть, що «матеріал тече». Ділянка СD — текучість матеріалу.

Зі збільшенням деформації крива напруг починає трохи підніматися й досягає максимуму в точці Е. Потім напруга швидко спадає, і тіло руйнується (точка K). Отже, розрив настає після того, як напруга досягне максимального значення σ , що називається межею міцності.

Дослідження поведінки тіла під зовнішніми механічними навантаженнями і їх діаграми розтягу досить важливі у практичному використанні матеріалів для різних цілей.