7. Твёрдые тела

7.1 Кристаллические и аморфные тела

Увеличение потенциальной энергии взаимодействия по сравнению с кинетической энергией молекул при некоторых условиях приводит к образованию твёрдого тела. Твёрдые тела обычно делят накристаллическиеиаморфные.

Аморфные вещества, как и жидкости, имеют ближний порядок в межмолекулярных взаимодействиях. К аморфным телам относят, например, стекло, смолы, пластмассы. Теоретическое описание аморфных тел сложно, как и описание жидкостей. Физические свойства аморфных тел зависят от способа их получения. Аморфные телаизотропны, то есть имеют одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Значительно лучше развита физика кристаллического состояния из-за высокой степени упорядоченности их структуры. Различают монокристаллыиполикристаллы. Поликристаллы состоят из множества монокристаллов, расположенных беспорядочно, поэтому поликристаллы изотропны. Монокристаллы жеанизотропны, то есть их свойства различны по разным направлениям.

В основе теории твёрдого тела лежит модель бесконечного совершенного монокристалла. Структура монокристалла представляет собой непрерывное повторение в трёхмерном пространстве одинаковых структурных единиц. Для монокристаллов характерно сохранение углов между гранями при их росте или разрушении. Для описания правильной структуры кристаллов удобно использовать понятие кристаллической решётки.Кристаллическая решёткаучитывает не только пространственную структуру (решётку), но и тип взаимодействия между частицами решётки. Правильное размещение частиц в кристалле можно описать с помощью операции параллельного перемещения илитрансляции. Радиус-вектор, характеризующий положение частицы определяют так:

,

где - наименьшие векторы трансляции. Решётка, построенная путём трансляции какого-либо узла по трём направлениям, называетсятрансляционнойилирешёткой Бравэ.Пространственная решётка– это чисто геометрическое понятие в отличие от кристаллической решётки, которую можно получить, связав с каждым узлом пространственной решётки атом, молекулу, ион, группу атомов или молекул, называемыхбазисом. Пространственную решётку можно представить как результат заполнения трёхмерного пространства отдельными ячейками –элементарными ячейками. Применив к элементарной ячейке операцию трансляции, получим пространственную решётку. Выбор элементарной ячейки не является однозначным. Элементарная ячейка, обладающая наименьшим объёмом, называетсяпримитивной ячейкой. Пространственные решётки могут обладать свойствами симметрии не только по отношению к операции трансляции, но и по отношению к повороту, отражению, инверсии и др. Русский кристаллограф Фёдоров Е.С. показал, что существует всего семь классов кристаллических решёток, которые могут образовать 230 пространственных решёток с различными типами симметрии. В кристалле частицы вещества могут располагаться не только в узлах элементарной ячейки, но и в центре граней, тогда решётку называютгранецентрированной. Если частицы вещества располагаются в серединах диагональных плоскостей, проходящих через вершины, то решётку называютобъёмноцентрированной. Если частицы вещества располагаются в серединах диагональных плоскостей базиса, то решётку называютбазоцентрированной.

Расположение атомов или молекул в базисе зависит от сил взаимодействия между ними. Частицы располагаются так, чтобы энергия взаимодействия между ними была минимальной. Положительная разность между энергией изолированных частиц и энергией частиц в кристаллической решётке называется энергией связи. Энергия связи определяется работой, необходимой для удаления частицы из кристалла.