8

Лекция № 13 Твердые тела

Кристаллические и аморфные тела

Твердые тела разделяются на два типа, отличающиеся друг от друга по своим физическим свойствам: кристаллические тела и аморфные.

Основным признаком кристаллического состояния вещества является наличие анизотропии, которая заключается в том, что однородное тело в различных направлениях обладает различными свойствами.

Например, коэффициент теплового расширения кристаллических тел различен в различных направлениях; в различных направлениях различны механические, оптические и электрические свойства кристаллов.

Аморфные тела – изотропны, т.е. обладают во всех направлениях одинаковыми свойствами.

Кристаллы имеют определенным образом ориентированные плоскости, по которым они легко раскалываются.

Аморфные тела при раскалывании дают неправильные поверхности случайной формы.

Образцами аморфных тел могут служить стекло, различные стеклообразные вещества, смолы, битумы и т.д. В последнее время особое внимание к себе привлекают аморфные вещества, состоящие из органических соединений, образующих так называемые полимеры. В них молекулы более простого соединения объединены в группы.

Моно- и поликристаллы

Правильность геометрической формы и анизотропия кристаллов обычно не проявляются по той причине, что кристаллические тела встречаются в природе, как правило, в виде поликристаллов, т.е. конгломератов множества сросшихся между собой беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. В поликристаллах анизотропия наблюдается только в пределах каждого кристалла, все тело, вследствие беспорядочной ориентации кристаллов, анизотропии не обнаруживает.

Создав специальные условия кристаллизации, из расплава или раствора можно получить большие одиночные кристаллы – монокристаллы любого вещества. Монокристаллы встречаются в природе крайне редко; в лабораторных условиях - получаются выращиванием из раствора какой-нибудь соли.

Все металлы обладают поликристаллической структурой. Благодаря беспорядочной ориентации отдельных кристаллов кусок металла в целом не обнаруживает анизотропии, хотя отдельные, образующие его кристаллы, анизотропны.

Внешняя симметрия кристалла является результатом симметричного расположения частиц, из которых он построен. В настоящее время рентгеноструктурным анализом установлено, что атомы в кристаллах располагаются симметрично друг относительно друга, образуя геометрически правильную пространственную решетку.

Весь кристалл может быть получен путем многократного повторения в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента, называемого элементарной кристаллической ячейкой.

Рис.а. Кристалл Рис.б. Элементарная

кристаллическая ячейка

Длины ребер a, b, c элементарной кристаллической ячейки называются периодами идентичности кристалла.

Таким образом, элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах a, b, c, модули которых равны периодам идентичности кристалла. Этот параллелепипед, кроме ребер a, b, c, характеризуется также углами , ,  между ребрами. Величины a, b, c и , ,  однозначно определяют элементарную ячейку и называются ее параметрами.

В зависимости от значений a, b, c и углов , ,  все кристаллы делятся на семь кристаллографических систем (или сингоний):

1. триклинная система a ≠ b ≠ c,  ≠  ≠ .Элементарная ячейка имеет форму косоугольного параллелепипеда.

2. моноклинная система a ≠ b ≠ c,  =  = 90°  ≠ 90°. Элементарная ячейка имеет форму призмы, в основании которой лежит параллелограмм.

3. ромбическая система a ≠ b ≠ c,  =  =  = 90°. Элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

4. тетрагональная система a = b ≠ c,  =  =  = 90°. Элементарная ячейка имеет форму прямой призмы с квадратным основанием.

5. ромбоэдрическая система a = b = c,  =  =  ≠ 90°. Элементарная ячейка имеет форму куба, деформированного сжатием вдоль диагонали.

6. гексагональная система a = b ≠ c,  =  = 90° =120 °.В основании, составленном из трех элементарных ячеек, лежит правильная шестигранная призма.

7. к убическая система a = b = c,  =  =  = 90°. Элементарная ячейка имеет форму куба.

Формы кристаллов чрезвычайно разнообразны. Изучением их занимается наука кристаллография.