Кристалічні та аморфні тіла
Назва роботи: Кристалічні та аморфні тіла. Типи кристалічних ґрат. Рідкі кристали
Категорія: Конспект уроку
Предметна область: Педагогіка та дидактика
Опис: За своїми фізичними властивостями та молекулярною структурою тверді тіла поділяються на два класи аморфні та кристалічні тіла. Молекули і атоми в твердих ізотропних тілах розташовуються хаотично утворюючи лише невеликі локальні групи, що містять кілька частинок ближній порядок.
Дата завантаження: 2015-02-11
Розмір файлу: 177.63 KB
Роботу завантажили: 24 чол.
Тема №31: «Кристалічні та аморфні тіла. Типи кристалічних ґрат. Рідкі кристали.
1 Кристалічні та аморфні тіла.
За своїми фізичними властивостями та молекулярною структурою тверді тіла поділяються на два класи: аморфні та кристалічні тіла. Характерною особливістю аморфних тіл є їхня ізотропність, тобто незалежність всіх фізичних властивостей (механічних, оптичних і т. д.) від напрямку. Молекули і атоми в твердих ізотропних тілах розташовуються хаотично, утворюючи лише невеликі локальні групи, що містять кілька частинок (ближній порядок).
Прикладами аморфних тіл можуть бути скло, різні затверділі смоли (бурштин), пластики тощо. буд. Якщо аморфне тіло нагрівати, воно поступово розм'якшується, і перехід у рідкий стан займає значний інтервал температур.
Дослідження показали, що структури рідин та аморфних тіл мають багато спільного. В аморфних та рідких тілах спостерігається ближній порядок в упаковці частинок (атомів чи молекул). Тому прийнято вважати аморфні тіла дуже густими, в'язкими (застиглими) рідинами.
При зовнішніх впливах аморфні речовини виявляють одночасно пружні властивості,подібно до кристалічних твердих речовин, і плинність, подібно до рідини. Так, при короткочасних впливах (ударах) вони поводяться як тверді речовини і за сильного удару розколюються на шматки. Але при дуже тривалому впливі (наприклад, розтягуванні) аморфні речовини течуть. У цьому можна переконатися в домашніх умовах, якщо запастись терпінням. Наприклад, аморфною речовиною також є смола (або гудрон, бітум). Якщо роздробити її на дрібні частини і масою, що вийшла, заповнити посудину, то через деякий час смола зіллється в єдине ціле і набуде форми судини.
Відомі 4 модифікації заліза, 9 модифікацій сірки та ін. Кожна модифікація стійка у певному інтервалі температур та тисків.
На малюнку 9 зображена плоска схема розташування молекул кварцу кристалічного тіла (а), і кварцового скла аморфного тіла (б).
У кристалічних тілах частинки розташовуються в строгому порядку, утворюючи просторові структури, що періодично повторюються, у всьому обсязі тіла. Для наочного уявлення таких структур використовуються просторові кристалічні решітки, у вузлах яких розташовуються центри атомів чи молекул даної речовини.
Найчастіше кристалічні грати будуються з іонів (позитивно і негативно заряджених) атомів, що входять до складу молекули даної речовини. Наприклад, грати кухонної солі містить іони Na+ і Cl, не об'єднані попарно в молекули NaCl (рис. 3.6.1). Такі кристали називаються іонними.
Малюнок 3.6.1. Кристалічні грати кухонної солі.
У кожній просторовій решітці можна виділити структурний елемент мінімального розміру, який називається елементарним осередком . Всі кристалічні грати можуть бути побудовані шляхомпаралельного перенесення (трансляції) елементарного осередку за деякими напрямками. Теоретично доведено, що може існувати 230 різних просторових кристалічних структур. Більшість із них (але не всі) виявлені в природі або створені штучно. Кристалічні грати металів часто мають форму шестигранної призми (цинк, магній), гранецентрованого куба (мідь, золото) або об'ємно центрованого куба (залізо).
Кристалічні тіла можуть бути монокристалами та полікристалами. Полікристалічні тіла складаються з багатьох зрощених між собою хаотично орієнтованих маленьких кристаликів, які називаються кристаллітами. Великі монокристали рідко зустрічаються в природі та техніці. Найчастіше кристалічні тверді тіла, у тому числі й ті, що виходять штучно, є полікристалами. На відміну від монокристалів, полікристалічні тіла ізотропні, тобто їхні властивості однакові в усіх напрямках. Полікристалічну будову твердого тіла можна виявити за допомогою мікроскопа, а іноді воно видно і неозброєним оком (чавун).
Прикладами монокристалів можуть бути дорогоцінні камені, ісландський шпат (рис. 3), топаз (рис. 4).
Прикладами полікристалів є кам'яна сіль (рис. 5), кварц (рис. 6), цукор, лід, залізо, мідь.
Упорядкованість у будові кристала призводить до анізотропії, тобто. залежність фізичних властивостей від обраного напряму. Воно пояснюється відмінністю в щільності розташування частинок в кристалічній решітці з різних напрямків.
Насамперед, впадає у вічі різна механічна міцність кристалів у різних напрямах. Наприклад, шматок слюди легко розшаровується в одному з напрямків на тонкі пластинки,але розірвати його у напрямі, перпендикулярному платівкам, набагато важче. Так само легко розшаровується в одному напрямку кристал графіту. Коли ви пишете олівцем, таке розшарування відбувається безперервно, і тонкі шари графіту залишаються на папері. Багато кристалів по-різному проводять теплоту та електричний струм у різних напрямках. Від напрямку залежить і оптичні властивості кристалів. Так, кристал алмазу по-різному заломлює світло залежно від напрямку падаючих на нього променів.
Монокристали мають анізотропію, полікристали ізотропні.
Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення t пл , яка не змінюється в процесі плавлення при постійному тиску (рис. 8, крива 1).
Знаючи температуру плавлення і температуру тіла, завжди можна визначити в якому агрегатному стані буде кристалічне тіло: якщо температура тіла більша за температуру плавлення, то тіло в рідкому стані, якщо менше в твердому.
Багато речовин можуть існувати у кількох кристалічних модифікаціях (фазах), що відрізняються фізичними властивостями. Це називається поліморфізмом. Перехід з однієї модифікації до іншої називається поліморфним переходом. Цікавим та важливим прикладом поліморфного переходу є перетворення графіту на алмаз. Цей перехід при виробництві штучних алмазів здійснюється при тисках 60100 тисяч атмосфер і температурах 15002000 К. Відомі 4 модифікації заліза, 9 модифікацій сірки та ін. Кожна модифікація стійка в певному інтервалі температур і тисків.
2 Типи кристалічних ґрат
Структури кристалічних ґрат експериментально вивчаються за допомогою дифракції рентгенівського випромінювання на монокристалах або полікристалічних зразках. наМал. 3.6.2 наведено приклади простих кристалічних ґрат. Слід пам'ятати, що частинки в кристалах щільно упаковані, тому відстань між їх центрами приблизно дорівнює розміру частинок. У зображенні кристалічних ґрат вказується лише положення центрів частинок.
Мал. 3.6.2. Прості кристалічні решітки: 1 проста кубічна решітка; 2 | гранецентровані кубічні грати; 3 | об'ємноцентрована кубічна
грати; 4 | Гексагональні грати.
У простій кубічній решітці частинки розташовуються у вершинах куба. У гранецентрованій решітці частинки розташовуються у вершинах куба, а й у центрах кожної його грані. Зображена на рис. 3.6.1 грати кухонної солі складається з двох вкладених одна в одну гранецентрованих грат, що складаються з Na+ та Cl. В об'ємноцентрованій кубічній решітці додаткова частка розташовується в центрі кожного елементарного кубічного осередку. Кристалічні структури металів мають важливу особливість.
Позитивно заряджені іони металу, що утворюють кристалічні ґрати, утримуються поблизу положень рівноваги силами взаємодії з «газом вільних електронів» (рис. 3.6.3). Електронний газ утворюється з допомогою одного чи кількох електронів, відданих кожним атомом. Вільні електрони здатні блукати по всьому об'єму кристала.
3 Рідкі кристали
Рідкі кристали (скорочено РК) - речовини, що володіють одночасно властивостями як рідин (плинність), так і кристалів (анізотропія). По структурі ЖК є рідини, схожі на желе, що складаються з молекул витягнутої форми, певним чином упорядкованих у всьому обсязі цієї рідини. Найбільш характерною властивістю РК є їх здатність змінювати орієнтаціюмолекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості застосування їх у промисловості.
Своєрідне поєднання властивостей, властивих як рідинам, і кристалам, зумовлено особливостями внутрішньої молекулярної структури рідких кристалів. Залежно від характеру розташування молекул розрізняють три основних типи термотропних рідких кристалів: смектичні, нематичні та холестеричні, а останнім часом виділяють також дискотичні фази.
Смектичні (від грецьк. смегма, мило, мазь) рідкі кристали можуть бути утворені речовинами, молекули яких мають витягнуту стрижнеподібну форму і орієнтовані паралельно один одному, утворюючи тонкий шар. Усередині шарів, у бічних напрямках, строга періодичність розташування молекул відсутня. Смектическими рідкими кристалами є, наприклад, райдужні мильні бульбашки. Смектичний шар має найважливішу властивість твердого кристала - анізотропію оптичних властивостей, так як уздовж довгої осі молекул світло поширюється з меншою швидкістю, ніж упоперек неї, і показники заломлення в рідкому кристалі в цих напрямках різні.
Другий тип термотропних рідкокристалічних речовин називається нематичним (від грец. Німа нитка). Ці речовини містять ниткоподібні частинки, які або осідають на стінки судини, або залишаються вільними. Ці нитки виглядають «причесаними» і спрямовані паралельно одна одній, але можуть ковзати вгору й униз. Нематичні рідкі кристали не такі впорядковані як смектичні. Тим не менш, вони теж оптично анізотропні і під мікроскопом дають «муарову» текстуру з світлими і темними смугами, що чергуються. Частки нематичного рідкого кристала реагують на електричне та магнітне поля так само, як залізна тирса,розташовуючись упорядкованим чином вздовж силових ліній поля.
Холестеричні рідкі кристали – це, в основному, похідні холестерину. Тут плоскі і довгі молекули зібрані в шари так само, як у смектичних, але всередині кожного шару розташування частинок більше схоже на нематичні рідкі кристали. Цікаво те, що найтонші сусідні молекулярні шари в рідкому холестеричному кристалі трохи повернені один щодо одного, завдяки чому стопка подібних шарів описує в просторі спіраль. У силу такої своєрідної будови ці рідкі кристали мають оригінальні оптичні властивості. Звичайне світло, проходячи через такі речовини, розпадається на два промені, які заломлюються по-різному. Коли безбарвний, як вода, холестеричний рідкий кристал потрапляє в зону зі змінною температурою, він набуває яскравого забарвлення.
Дискотичні рідкі кристали, відкриті Чандрасекаром (США) та ін., є системою рідких стовпчиків, що утворюють двовимірну решітку.
Три основні типи термотропних рідких кристалів: смектичні, нематичні та холестеричні.
Один із важливих напрямків використання рідких кристалів – термографія. Підбираючи склад рідкокристалічної речовини, створюють індикатори для різних діапазонів температури та різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні схеми та друковані плати електронних схем. Несправні елементи сильно нагріті або холодні, непрацюючі відразу помітні по яскравих кольорових плямах. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення та навіть пухлину.
За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук та небезпечні для здоров'ялюдини гамма- та ультрафіолетове випромінювання. На основі рідких кристалів створено вимірювачі тиску, детектори ультразвуку. Але найбільш перспективна сфера застосування рідкокристалічних речовин - інформаційна техніка. Від перших індикаторів, знайомих усім електронним годинником, до кольорових телевізорів з рідкокристалічним екраном розміром з поштову листівку пройшло лише кілька років. Такі телевізори дають зображення дуже високої якості, споживаючи мізерну кількість енергії від малогабаритного акумулятора або батарейки.