Все ли твердые тела имеют кристаллическую решетку. Какое свойство отличает монокристалл от аморфного тела

Как жидкости, но и форму. Они находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.
Кристаллы - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы (рис.12.1 ).

Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического твердого тела - льда (рис.12.2 ).

Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных сеток, состоящих из атомов углерода (рис.12.4 ). Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние между слоями сравнительно велико - примерно в 2 раза больше, чем длина стороны шестиугольника, поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них.

Многие кристаллы по-разному проводят тепло и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл кварца по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.
Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией . Все кристаллические тела анизотропны.
Монокристаллы и поликристаллы. Кристаллическую структуру имеют металлы. Именно металлы преимущественно используются в настоящее время для изготовления орудий труда, различных машин и механизмов.
Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде этого куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.
Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Под микроскопом или даже с помощью лупы их нетрудно рассмотреть, особенно на свежем изломе металла (рис.12.5 ). Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим . Одиночные кристаллы называют монокристаллами .
Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров - монокристалл.
В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.
К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, также имеет поликристаллическую структуру.
Большинство кристаллических тел - поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы - монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).

???
1. Все ли кристаллические тела анизотропны?
2. Древесина анизотропна. Является ли она кристаллическим телом?
3. Приведите примеры монокристаллических и поликристаллических тел, не упомянутых в тексте.

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Твердые тела.

В отличие от жидкостей твердые тела обладают упругостью формы .При всяких попытках изменить геометрию твердого тела в нем возникают упругие силы, препятствующие этому воздействию. Исходя из особенностей внутренней структуры твердых тел, различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы и аморфные тела существенно различаются между собой по многим физическим свойствам.

Аморфные тела по своей внутренней структуре очень напоминают жидкости, поэтому их часто называют переохлаждёнными жидкостям . Как и жидкости, аморфные тела структурно изотропны. Их свойства не зависят от рассматриваемого направления. Объясняется это тем, что в аморфных телах, так же, как и в жидкостях сохраняется ближний порядок (координационное число), а дальний (длины и углы связей) отсутствует.Этими обеспечивается полная однородность всех макрофизических свойств аморфного тела. Типичными примерами аморфных тел являются стекла, смолы, битумы, янтарь.

Кристаллические тела, в отличие от аморфных, имеют четкую упорядоченную микроструктуру, которая сохраняется на макроуровне и проявляется внешне в виде мелких зерен с плоскими гранями и острыми ребрами, называемых кристаллами.

Распространенные в природе кристаллические тела (металлы и сплавы, сахар и поваренная соль, лед и песок, камень и глина, цемент и керамика, полупроводники и т д) обычно являются поликристаллами , состоящими из хаотично ориентированных, сросшихся между собой монокристалликов (кристаллитов ), размеры которых составляют около 1 мкм (10 -6 м) Однако иногда встречаются монокристаллы достаточно больших размеров. Например, монокристаллы горного хрусталя достигают человеческого роста В современной технике монокристаллы играют важную роль, поэтому разработана технология их искусственного выращивания.

Внутри монокристалла атомы (ионы) вещества размещаются с соблюдением дальнего порядка, в узлах четко ориентированной в пространстве геометрической структуры, получившей название кристаллической решётки Каждое вещество образует в твердом состоянии свою, индивидуальную по геометрии кристаллическую решётку. Ее форма определяется структурой молекул вещества. В решетке всегда может быть выделена элементарная ячейка , сохраняющая все её геометрические особенности, но включающая в себя минимально возможное число узлов.

Монокристаллы каждого конкретного вещества могут иметь разные размеры. Однако все они сохраняют одинаковую геометрию, которая проявляется в сохранении постоянных углов между соответствующими гранями кристалла. Если форма монокристалла будет принудительно нарушена, то он при последующем выращивании из расплава или просто при нагревании обязательно восстанавливает свою прежнюю форму. Причиной такого восстановления формы кристалла является известное условие термодинамической устойчивости - стремление к минимуму потенциальной энергии. Для кристаллов это условие сформулировано независимо друг от друга Дж У. Гиббсом, П Кюри и Г. В. Вульфом в виде принципа: поверхностная энергия кристалла должна быть минимальной .

Одной из наиболее характерных особенностей монокристаллов является анизотропия их многих физико-механических свойств. Например, твердость, прочность, хрупкость, тепловое расширение, скорость распространения упругих волн, электропроводность и теплопроводность многих кристаллов могут зависеть от направлений в кристалле. В поликристаллах анизотропия практически не проявляется только из-за хаотичной взаимной ориентации образующих их мелких монокристалликов. Она связана с тем, что в кристаллической решетке расстояния между узлами в различных направлениях в общем случае оказываются существенно разными.

Другой важной особенностью кристаллов можно считать то, что они плавятся и кристаллизуются при постоянной температуре, в полном соответствии с термодинамической теорией фазовых переходов первого рода. У аморфных твердых тел четко выраженный фазовый переход отсутствует. При нагревании они размягчаются плавно, в широком интервале изменения температуры Это означает, что у аморфных тел нет определённой регулярной структуры и при нагревании она разрушается поэтапно, тогда как кристаллы при нагревании разрушают однородную кристаллическую решетку (с её дальним порядком) строго при фиксированных энергетических условиях, а следовательно, и при фиксированной температуре.

Некоторые твёрдые вещества способны существовать устойчиво как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях. Характерным примером может служить стекло. При достаточно быстром охлаждении расплава стекло становится очень вязким и затвердевает, не успевая приобрести кристаллическую структуру. Однако при очень медленном охлаждении, с выдержкой на определённом температурном уровне то же самое стекло кристаллизуется и приобретает специфические свойства (такие стёкла называют ситаллами ). Другим типичным примером является кварц. В природе он обычно существует в виде кристалла, а из расплава всегда образуется аморфный кварц (его так и называют плавленым кварцем ). Опыт показывает, что чем сложнее молекулы вещества и чем сильнее их межмолекулярные связи, тем легче при остывании получить твердую аморфную модификацию.

Кристаллические и аморфные тела

Цель урока:

Раскрыть основные свойства кристаллических и аморфных тел.

Познакомить учащихся с правильной формой кристаллов и со свойством анизотропии, методом моделирования в изучении свойств кристаллов.

Оборудование:

Набор кристаллических тел; линза короткофокусная.

Спиртовка, стеклянная палочка.

Компьютер с мультимедийным проектором; план-конспект урока, мультимедийное приложение к уроку, выполненное в Mikrosoft Point .

Ход урока

Вступление: Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники.

В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Вы, наверное, знаете о заслугах советских ученых - академиков, лауреатов Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохорова и Н Г Басова в создании квантовых генераторов. Действие современных оптических квантовых генераторов - лазеров - основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.) Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и аналогичные вопросы вы сможете дать в конце урока. Запишем тему “Кристаллические и аморфные тела”.

Изложение нового материала:

Обратимся к пройденному материалу. Какими свойствами обладают твёрдые тела?

Ученик:

1) Они сохраняют форму и объём.

2) В строении имеют кристаллическую решётку.

Учитель: Все твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Мы рассмотрим, в чём их сходство и различие.

Что такое кристаллы?

Кристаллы - это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кристаллов симметричны. Цвет кристаллов различен, - очевидно, это зависит от примесей.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Различают несколько типов кристаллов:

1) ионные

2) атомные

3) металлические

4) молекулярные.

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.

Монокристаллы - одиночные кристаллы (кварц, слюда…) Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии. Убедимся в симметрии кристаллика снега - снежинки

Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых мы будем говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл. Может кто-нибудь из вас попытается ее сформулировать?

Ученик. Частицы в кристалле располагаются так, что они образуют определенную правильную форму, решетку.

Учитель. Частицы в кристалле образуют правильную пространственную решетку. Пространственные решетки различных кристаллов различны. Перед вами модель пространственной решетки поваренной соли. (Демонстрирует модель.) Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета - ионы хлора. Если соединить эти узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка, аналогичная представленной модели. В каждой пространственной решетке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы ее структуры, иначе говоря, элементарную ячейку.

Понятие о пространственной решетке позволило объяснить свойства кристаллов.

Рассмотрим их свойства.

1) Внешняя правильная геометрическая форма (модели)

2) Постоянная температура плавления.

3) Анизотропия – различие в физических свойствах от выбранного в кристалле направления (показывает пример со слюдой, с кристаллом кварца)

Но монокристаллы в природе встречаются редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.

А сейчас познакомимся с поликристаллами.

Поликристаллы - это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун …)

Поликристаллы тоже имеют правильную форму и ровные грани, температура плавления у них имеет постоянное значение для каждого вещества. Но в отличие от монокристаллов, поликристаллы изотропны, т.е. физические свойства одинаковые по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.

Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.

Аморфные тела - это твёрдые тела, где сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. (Кремнезём, смола, стекло, канифоль, сахарный леденец).

Например, кварц может находиться как в кристаллическом состоянии, так и аморфном - кремнезём. (См. рис в учебнике). Они не имеют постоянной температуры плавления и обладают текучестью (показывает сгибание стеклянной палочки над спиртовкой). Аморфные тела изотропны, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой подобны жидкостям.

Наблюдение кристаллических и аморфных тел

(делают записи в тетрадь)

Рассматриваем с помощью лупы кристаллики поваренной соли. - Какую форму они имеют? (форма кубиков).

Рассмотрим кристаллы медного купороса. – Какова особенность данных кристаллов? (некоторые имеют плоские грани).

Рассмотрим излом цинка и найдем на нем грани мелких кристалликов.

Рассмотрим аморфные тела: стекло, канифоль или воск. Обратим внимание на излом стекла. В чем отличие от излома металла? (гладкая поверхность с острыми краями).

Задачи для самостоятельной работы.

1. Почему в мороз снег скрипит под ногами?

Ответ : Ломаются сотни тысяч снежинок – кристаллов.

2. Каково происхождение узоров на поверхности оцинкованного железа?

Ответ : Узоры появляются вследствие кристаллизации цинка.

3. Итоговый тест.

Учитель: Откройте дневники и запишите задание на дом: § 75,76(1); § 24, 26,27. Задание для желающих: вырастить кристаллы из раствора медного купороса или квасцов.

Литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика 10 кл. – М.: Просвещение 1992.

2. Пинский А.А. Физика 10 кл. – М. “Просвещение” 1993г.

3. Тарасов Л. В. Этот удивительно симметричный мир. - М.: Просвещение, 1982.

4. Школьникам о современной физике: физика сложных систем. - М.: Просвещение, 1978.

5. Энциклопедический словарь юного физика.

6. В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983.

7. Методика преподавания физики в 8–10 классах средней школы. Ч. 2/ Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой и др. – М.: Просвещение 1980.

8. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. М. “ВАКО” 2006г.

Итоговый тест

1. Закончите предложение.

1) монокристаллы;

2) поликристаллы.

а) одиночные кристаллы;

1) крупинка соли;

3) крупинка сахара;

4) кусочек сахара-рафинада

в) аморфное состояние.

1) кристаллические тела;

2) аморфные тела.

Итоговый тест

1. Закончите предложение.

«Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называется …»

2. Вставьте пропущенные слова.

«Твердые тела подразделяются на … и … »

3. Найдите соответствие между твердыми телами и кристаллами.

1) монокристаллы;

2) поликристаллы.

а) одиночные кристаллы;

б) большое число маленьких кристалликов.

4. Найдите соответствие между веществом и его состоянием.

1) крупинка соли;

3) крупинка сахара;

4) кусочек сахара-рафинада

а) поликристаллическое состояние;

б) монокристаллическое состояние;

в) аморфное состояние.

5. Найдите соответствие между телами и температурой плавления.

1) кристаллические тела;

2) аморфные тела.

а) определенной температуры плавления нет;

б) температуры плавления постоянная.

Твёрдое тело является одним из четырёх фундаментальных состояний материи, кроме жидкости, газа и плазмы. Оно характеризуется структурной жёсткостью и устойчивостью к изменению формы или объёма. В отличие от жидкости, твёрдый объект не течёт, не принимает форму контейнера, в который его помещают. Твёрдое тело не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объём, как это делает газ.
Атомы в твёрдом теле тесно связаны друг с другом, находятся в упорядоченном состоянии в узлах кристаллической решётки (это металлы, обычный лёд, сахар, соль, алмаз), или располагаются нерегулярно, не имеют строгой повторяемости в структуре кристаллической решётки (это аморфные тела, такие как оконное стекло, канифоль, слюда или пластмасса).

Кристаллические тела

Кристаллические твёрдые тела или кристаллы имеют отличительную внутреннюю особенность - структуру в виде кристаллической решётки, в которой определённое положение занимают атомы, молекулы или ионы вещества.
Кристаллическая решётка приводит к существованию особенных плоских граней у кристаллов, которые отличают одно вещество от другого. При воздействии рентгеновских лучей, каждая кристаллическая решётка излучает характерный рисунок, который можно использовать для идентификации вещества. Грани кристаллов пересекаются под определёнными углами, отличающими одно вещество от другого. Если кристалл расщепить, то новые грани будут пересекаться под теми же углами, что у исходного.

Например, galena - галенит, pyrite - пирит, quartz - кварц. Грани кристалла пересекаются под прямым углом в галените (PbS) и пирите (FeS 2), под другими углами в кварце.

Свойства кристаллов

• постоянный объём;
• правильная геометрическая форма;
• анизотропия - различие механических, световых, электрических и тепловых свойств от направления в кристалле;
• чётко определённая температура плавления, так как она зависит от регулярности кристаллической решётки. Межмолекулярные силы, удерживающие твёрдое вещество вместе, однородны, и требуется одинаковое количество тепловой энергии, чтобы одновременно разорвать каждое взаимодействие.

Аморфные тела

Примерами аморфных тел, не имеющих строгой структуры и повторяемости ячеек кристаллической решётки, являются: стекло, смола, тефлон, полиуретан, нафталин, поливинилхлорид.

Они имеют два характерных свойства: изотропность и отсутствие определённой температуры плавления.
Изотропность аморфных тел понимают, как одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям.
В аморфном твёрдом теле расстояние до соседних узлов кристаллической решётки и количество соседних узлов изменяется по всему материалу. Поэтому, чтобы разорвать межмолекулярные взаимодействия, требуется различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные вещества медленно размягчаются в широком диапазоне температур и не имеют чёткой температуры плавления.
Особенностью аморфных твёрдых тел является то, что при низких температурах они имеют свойства твёрдых тел, а при повышении температуры - свойства жидкостей.

В зависимости от физических свойств и молекулярной структуры выделяют два основных класса твердых тел – кристаллические и аморфные.

Определение 1

Аморфные тела обладают такой чертой, как изотропность. Это понятие означает, что они относительно независимы от оптических, механических и других физических свойств и направления, в котором на них воздействуют внешние силы.

Основная черта афморных тел – хаотичное расположение атомов и молекул, которые собираются лишь в небольшие локальные группы, не более чем по несколько частиц в каждой.

Это свойство сближает аморфные тела с жидкостями. К таким твердым телам относятся янтарь и другие твердые смолы, различные виды пластика и стекло. Под воздействием высоких температур аморфные тела размягчаются, однако для их перевода в жидкость необходимы сильные воздействия тепла.

Все кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру. Группы частиц в одном и том же порядке периодически повторяются во всем объеме такого тела. Чтобы наглядно представить такую структуру, обычно используют пространственные кристаллические решетки. Они состоят из определенного количества узлов, которые образуют центры молекул или атомов конкретного вещества. Обычно такая решетка построена из ионов, входящих в состав нужных молекул. Так, в поваренной соли внутренняя структура состоит из ионов натрия и хлора, попарно объединенных в молекулы. Подобные кристаллические тела называются ионными.

Рисунок 3 . 6 . 1 . Кристаллическая решетка поваренной соли.

Определение 2

В структуре каждого вещества можно выделить одну минимальную составляющую – элементарную ячейку .

Вся решетка, из которой состоит кристаллическое тело, может быть составлена путем трансляции (параллельного переноса) такой ячейки в определенных направлениях.

Число видов кристаллических решеток не бесконечно. Всего насчитывается 230 видов, большинство которых создано искусственным путем или найдено в природных материалах. Структурные решетки могут принимать формы объемно центрированных кубов (например, у железа), гранецентрированных кубов (у золота, меди), призмы с шестью гранями (магний, цинк).

В свою очередь кристаллические тела подразделяются на поликристаллы и монокристаллы. Большинство веществ относятся к поликристаллам, т.к. они состоят из так называемых кристаллитов. Это маленькие кристаллики, сросшиеся между собой и ориентированные хаотически. Монокристаллические вещества встречаются сравнительно редко, даже среди искусственных материалов.

Определение 3

Поликристаллы обладают свойством изотропности, то есть одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Поликристаллическая структура тела хорошо видна под микроскопом, а у некоторых материалов, например, чугуна, и невооруженным взглядом.

Определение 4

Полиморфизм – это возможность вещества существовать в нескольких фазах, т.е. кристаллических модификациях, которые отличаются друг от друга физическими свойствами.

Процесс перехода в другую модификацию получил название полифморного перехода .

Примером такого явления может быть превращение графита в алмаз, который в промышленных условиях происходит при высоком давлении (до 100 000 атмосфер) и высоких температурах
(до 2000 К).

Чтобы изучить структуру кристаллической решетки монокристалла или поликристаллического образца, используется дифракция рентгеновского излучения.

Простые кристаллические решетки показаны на рисунке ниже. Необходимо учитывать, что расстояние между частицами так мало, что сопоставимо с размерами самих этих частиц. Для наглядности на схемах показаны только положения центров.

Рисунок 3 . 6 . 2 . Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

Наиболее простой является кубическая решетка: такая структура состоит из кубов с частицами в вершинах. Гранецентрированная решетка имеет частицы не только в вершинах, но и на гранях. Например, кристаллическая решетка поваренной соли представляет собой две гранецентрированные решетки, вложенные друг в друга. Объемноцентрированная решетка имеет дополнительные частицы в центре каждого куба.

У решеток металлов есть одна важная черта. Ионы вещества удерживаются на своих местах благодаря взаимодействию с газом свободных электронов. Так называемый электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отдаваемых атомами. Такие свободные электроны могут перемещаться по всему объему кристалла.

Рисунок 3 . 6 . 3 . Структура металлического кристалла.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter