2.12. Тверді тіла

2.12.1. Кристалічні і аморфні тіла

Збільшення потенційної енергії взаємодії в порівнянні з кінетичної енергією молекул за деяких умов призводить до утворення твердого тіла. Тверді тіла зазвичай ділять на кристалічні й аморфні.

Аморфні речовини, як і рідини, мають ближній порядок в міжмолекулярних взаємодіях. До аморфних тіл відносять, наприклад, скло, смоли, пластмаси. Теоретичний опис аморфних тіл складний, як і опис рідин. Фізичні властивості аморфних тіл залежать від способу їх отримання. Аморфні тіла ізотропні, тобто мають однакові фізичні властивості в усіх напрямках.

Значно краще розвинена фізика кристалічного стану за високого ступеня впорядкованості його структури. Розрізняють монокристали і полікристали. Полікристали складаються з безлічі монокристалів, розташованих безладно, тому полікристали ізотропні. Монокристали ж анізотропні, тобто їх властивості різні по різних напрямках.

В основі теорії твердого тіла лежить модель нескінченного досконалого монокристала. Структура монокристала являє собою безперервне повторення у тривимірному просторі однакових структурних одиниць. Для монокристалів характерно збереження кутів між гранями при їх зростанні або руйнуванні. Для опису правильної структури кристалів зручно використовувати поняття кристалічної гратки.

Кристалічна гратка враховує не тільки просторову структуру, але і тип взаємодії між частками гратки. Правильне розміщення частинок в кристалі можна описати за допомогою операції паралельного переміщення або трансляції. Радіус – вектор , що характеризує положення частинки визначають так:

,

де - найменші вектори трансляції; n, m, p – цілі числа (у тому числі і нулі). Гратка, побудована шляхом трансляції якого-небудь вузла за трьома напрямками, називається трансляційною або граткою Браве. Просторова гратка - це чисто геометричне поняття на відміну від кристалічної гратки, яку можна отримати, зв'язавши з кожним вузлом просторової гратки атом, молекулу, іон, групу атомів або молекул, які називаються базисом. Просторову гратку можна представити як результат заповнення тривимірного простору окремими осередками - елементарними комірками. Застосувавши до елементарної комірки операцію трансляції, отримаємо просторову гратку. Вибір елементарної комірки не є однозначним. Елементарна комірка, що володіє найменшим об’ємом, називається елементарною коміркою. Просторові гратки можуть мати властивості симетрії не тільки по відношенню до операції трансляції, але і по відношенню до повороту, відображенню, інверсії та ін. Існує всього сім класів кристалічних граток, які можуть утворити 230 просторових граток з різними типами симетрії. У кристалі частинки речовини можуть розташовуватися не тільки у вузлах елементарної комірки, а й у центрі граней, тоді гратку називають гранецентрованою. Якщо частинки речовини розташовуються в серединах діагональних площин, що проходять через вершини, то гратку називають об’ємноцентрованою. Якщо частинки речовини розташовуються в серединах діагональних площин базису, то гратку називають базоцентрованою.

Розташування атомів або молекул в базисі залежить від сил взаємодії між ними. Частинки розташовуються так, щоб енергія взаємодії між ними була мінімальною. Позитивна різниця між енергією ізольованих частинок і енергією частинок в кристалічній решітці називається енергією зв'язку. Енергія зв'язку визначається роботою, необхідною для видалення частинки з кристала.