Конспект модель строения твердых тел

Обновлено: 06.07.2024

Большинство окружающих нас твердых тел – вещества в твердом состоянии .Специальная область физики – физика твердого тела – занимается изучение строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Мы с вами тоже живем на поверхности твердого тела – земного шара, в домах, построенных из твердых тел. Наше тело, хотя и содержит около 65% воды (мозг – 80%) – тоже твердое тело. Орудия труда сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел необходимо.

Из курса физики 7 класса вы знаете о том, что твердые тела сохраняют форму и объем, благодаря строгому расположению молекул. По химии вы изучали строение различных кристаллических решеток, также мы с вами знакомились с таким понятием, как аморфное тело.

Задача сегодняшнего урока – собрать все наши знания о твердых телах воедино и сформировать общую картину о строении и свойствах твердых тел.

III. Изучение нового материала

По характеру относительного расположения частиц, твердые тела делятся на три вида:

кристаллические
аморфные
композиты

Давайте с вами рассмотрим в отдельности каждый вид.

Кристаллические тела

Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения тела в кристаллическом состоянии.

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.

Кристаллические тела, как известно, имеют определенную температуру плавления, неизменную при постоянном давлении. 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?

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

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. К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб, объемно-центрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональная призма. Основы кристаллохимического анализа, т.е. способа определения химического состава вещества по форме его кристаллов (по значению угла между гранями),разработал выдающийся русский ученый Е.С. Федоров (1853-1919). Он внес большой вклад в развитие науки о кристаллах – кристаллографии. Федоров доказал, что может существовать только 230 различных форм кристаллов, все из которых на сегодняшний день известны.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Различают несколько типов кристаллов, которые определяются характером взаимодействия атомов и молекул, образующих кристалл:

1) ионные
2) атомные
3) металлические
4) молекулярные

Этот материал вы довольно подробно изучали в курсе химии 8 класса, поэтому мы только вспомним, как образуются эти кристаллы.

Ионные кристаллы. В узлах решетки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти кристаллы обладают значительной прочностью. К их числу относится большинство неорганических соединений, например соли.

Атомные кристаллы. Кристаллические решетки образуются путем плотной упаковки атомов, чаще всего одинаковых (при взаимодействии одинаковых атомов ионы не образуются). Эти вещества наиболее прочны, отличаются большой прочностью и тугоплавкостью. Типичные примеры таких кристаллов – алмаз, графит, германий.

Молекулярные кристаллы. В узлах решетки находятся молекулы вещества, связь между которыми обеспечивается силами молекулярного взаимодействия.эти кристаллы наименее прочны, плавятся при очень низкой температуре (твердые гелий, водород, азот), легко испаряются (нафталин).

Металлические кристаллы. Во всех узлах решетки расположены положительные ионы металла. Наличие свободных электронов в металле обеспечивает хорошую электропроводность и теплопроводность этих веществ.

Дефекты кристаллов

Все сказанное выше о строении кристаллов, строго говоря, относится только так говоря к идеальным кристаллам. Всякий же реальный кристалл не имеет совершенной структуры и обладает рядом нарушений пространственной решетки, которые называются дефектами в кристалле. В частности, в реальных кристаллах часть узлов решетки может оказаться не занятой частицами, заполненной чужеродными атомами или ионами или чужеродные атомы могут внедриться где-то между узлами решетки. Из-за этого нарушается дальний порядок в упаковке атомов или других частиц кристалла.

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. (Кварц, алмаз)

Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. (Металлы, сахар, поваренная соль)

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут меняться с течением времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах, от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается.

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно до десяти модификаций. Полиморфизм углерода – графит и алмаз. Между алмазом и графитом оказывается много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы — драгоценность, известны в быту как бриллианты.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит — это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток. При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000—2500 К под давлением 10 9 Па, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы.

Немного из истории алмазов

Шапка Мономаха

Древнейшим царским венцом в России считается шапка Мономаха. Во всех духовных грамотах московских князей упоминается "шапка золотая". Вероятно, именно она в 1572 году была названа по имени одного из византийских императоров "шапкой Мономаха". В период формирования на Руси централизованного государства идея преемственности власти московских князей от византийских императоров была необходима для укрепления престижа Московского княжества.

Вопрос о том, где, когда и кем была сделана шапка Мономаха, остается нерешенным до сих пор. Древняя часть этого венца напоминает восточный головной убор, а полусферическое резное на вершине с крестом драгоценные камни, крупный жемчуг и опушка из меха соболя – более поздние добавления.

Держава Екатерины II

Для коронации Екатерины II ювелир Георг Фридрих Экарт изготовил новую державу. Держава представляет собой гладко отполированный золотой шар, опоясанный бриллиантовыми поясками. К коронации Павла I держава была увенчана овальным цейлонским сапфиром весом в 200 карат, а место пересечения бриллиантовых поясков украсили редким индийским алмазом необычной огранки весом в 46,92 карата.

Существенным свойством монокристалла является анизотропия – различие физических( механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) свойств от выбранного в кристалле направления(показывает пример со слюдой, с кристаллом кварца, двойное лучепреломление). Анизотропия механических свойств монокристаллов сказывается прежде всего в том, что их прочность в разных направлениях различна. Монокристаллы легче разрушаются по одним направлениям, чем по другим, и именно поэтому их изломы плоские. Например, кусочек слюды, который является кристаллом, легче расщепить на тонкие пластинки, чем разорвать эти пластинки на части (показать учащимся наглядно). Но монокристаллы в природе встречаются редко, хотя они получили широкое применение в современной технике. Почти все полупроводниковые приборы представляют собой монокристаллы со специально введенными примесями, сообщающие им те или иные свойства.

Поликристаллические тела изотропны, т.е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, анизотропны, но вследствии их хаотичной ориентации, ни одно из направлений не отличается от других. В тех случаях, когда необходима высокая изотропность материала, он должен быть как можно более мелкокристаллическим.

Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.

Аморфные тела

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

Жидкие кристаллы

В 1889 году австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком О. маном были открыты органические вещества, которые обладают свойством жидкости - текучестью, но сохраняют определенную упорядоченность в расположении молекул и анизотропию свойств, характерную для монокристаллов. Эти вещества полу ли название жидких кристаллов.

Как же могут существовать жидкие кристаллы, совмещающие в себе прямо противоположные свойства жидкости и металла? Дело в том, что жидкость, оставаясь в целом изотропной, может состоять из анизотропных молекул. Молекулы, из которых. состоит жидкость, имеют удельную форму в виде палочек. Каждая отдельная молекула в этом случае - анизотропна. Например, она может пропускать свет, который распространяется вдоль палочки, и поглощать его, если он распространяется поперек направления. Но в жидкости все молекулы-палочки расположены хаотически,и в среднем свет поглощается, проходя по разным направлениям, одинаково.

Такую ситуацию можно представить, если высыпать коробок спичек в таз с водой и хорошо перемешать их. Тогда мы увидим, что поверхность воды со спичками будет изотропной, т. е. по любому направлению мы пересечем приблизительно одинаковое количество спичек, как вдоль, так и поперек их длины.

Представим теперь, что каждая спичка обладает магнитными свойствами, подобно магнитной стрелке. Поместим таз в силовое магнитное поле, направленное вдоль поверхности воды. Тогда все спички своими головами вытянутся в одну сторону, и поверхность приобретет анизотропные свойства - направления вдоль и поперек спичек будут обладать различными свойствами. Приобретя анизотропные свойства, жидкость сохранила свои основные свойства:

Воду со спичками можно перелить в другой таз, и она примет форму того сосуда, в который ее нальют, спички могут свободно двигаться.

Аналогичные процессы происходят и в некоторых жидкостях, состоящих из анизотропных молекул. Под действием внешних воздействий, в частности, электрического поля, тонкие слои такой жидкости приобретают анизотропные свойства, которое модно использовать в технике. Например, помещая такую жидкость в тонкий зазор толщиной в 0,1-0,01 мм между двумя стеклянными пластинами, на которых в одном направлении нацарапаны микроскопические бороздки, добиваются того, что все молекулы выстраиваются вдоль этих бороздок. Такая плоская сборная пластинка (ячейка) хорошо пропускает падающий на нее свет. Если при помощи прозрачных электродов создать на отдельных ее участках электрическое поле, то ориентация молекул в этих местах изменится и изменится способность пропускать свет.

Для переориентации молекул в тонком слое жидкого кристалла требуются очень малые затраты электрической энергии, и этот процесс происходит достаточно быстро - за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи слабых электрических сигналов можно управлять тем, как слой жидкого кристалла пропускает свет.

Такой принцип реализован в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, термометры), его используют для создания экранов телевизоров, плоских дисплеев компьютеров информационных стендов на железнодорожных вокзалах и в аэропортах.

Некоторые жидкие кристаллы меняются при изменении температуры. Это свойство используют в медицине для определения участков тела с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем.

Реальные процессы, которые происходят в жидкокристаллических ячейках, значительно сложнее и многообразнее, чем описанная выше модель.

Поэтому в настоящее время жидкие кристаллы интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах.

Композиты

Созданы композиционные материалы, механические свойства которых превосходят естественные материалы. Композиционные материалы (композиты) состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеродные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и железографит.

Железобетон - один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры.

Железографит - металлокерамический материал, состоящий из железа (95-98%) и графита (2-5 %). Из него изготавливают подшипники, втулки для разных машин и механизмов.

Стеклопластик - также композиционный материал, представляющий собой смесь длинных волокон и отвердевшей смолы.

Кости человека и животных представляют собой композиционный материал, состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества.

Коллаген – один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят наши сухожилия). Большая часть минерального компонента кости – соли кальция. Атомы кальция составляют 22% от общего количества атомов кости. В остальных тканях тела их количество равно 12-13%. Если кость подержать достаточно долго в 5% растворе уксусной кислоты, то весь минеральный компонент станет эластичным. Кость можно будет свернуть в кольцо, как резиновый жгут.

IV. Повторение изученного

Тест (итоговый)

1. Кристаллы, отличающиеся наибольшей прочностью

молекулярные
атомные
ионные
металлические

2. Кристаллы, практически не растворимые

молекулярные
атомные
ионные
металлические

3. Свойство вещества иметь две или несколько) различные кристаллические структуры называют…

изотропия
анизотропия
полиморфизм
энтропия

4. Свойство кристаллов расширятся в разных направлениях по разному называется…

анизотропией
изотропией
полиморфизмом
энтропией

5. На физические свойства кристаллов влияют…

структура кристалла
химический состав кристалла
расположение молекул в кристалле
1, 2, 3

V. Домашнее задание: §75,§76

Литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика 10 кл. – М.: Просвещение 1992 г.
2. Пинский А.А. Физика 10 кл. – М. “Просвещение” 1993 г.
3. Тарасов Л. В. Этот удивительно симметричный мир. — М.: Просвещение, 1982 г.
4. Школьникам о современной физике: физика сложных систем. — М.: Просвещение, 1978 г.
5. Энциклопедический словарь юного физика.
6. В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983 г.
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 г.
8. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. М. “ВАКО” 2006 г.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Тема урока: " Структура твердых тел "

· Обучающие: сформулировать основные особенности в строении твердых тел; установить характер движения и взаимодействия молекул.

· Развивающие: развивать умение применять знания теории на практике, наблюдательность, самостоятельность, мышление учащихся посредством логических учебных действий.

· Воспитывающие: продолжить формирование представлений о единстве и взаимосвязи явлений природы.

Планируемые результаты:

· развитие мотивов и смыслов учебно-познавательной деятельности;

· самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений;

· формирование правильного представления о том, как надо задавать вопросы, в какой последовательности, что, по сути, является развитием мышления учащегося;

· формирование умений воспринимать, перерабатывать и предъявлять информацию в словесной, образной, символической формах, анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами, выделять основное содержание прочитанного текста, находить в нем ответы на поставленные вопросы и излагать его.

· развитие познавательного интереса обучающихся и их творческих способностей;

· развитие ценностных ориентаций – осознание практической ценности знаний, их значимости в современной жизни;

· развитие умения планировать и регулировать свои действия в соответствии с поставленной задачей.

· развитие диалогической речи;

· развитие навыков сотрудничества;

· формирование правильного представления о том, как надо задавать вопросы, в какой последовательности, что, по сути, является развитием мышления учащегося.

· развитие умения ориентироваться в своей системе знаний: находить ответы на вопросы, используя свои знания, жизненный опыт и информацию, полученную на предыдущих уроках.

Оборудование урока: презентация компьютер.

Тип урока: комбинированный

Методы обучения: метод инверсии, метод коллективного поиска оригинальных идей, метод эвристических вопросов, исследовательский метод

Межпредметные связи: биология, химия

Способ организации: метапредметный урок

1.Организационный этап.

Проверить наличие учебных принадлежностей на столах учащихся. Отметить отсутствующих в журнале. Наладить дисциплину.

2.Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.

Атомы и молекулы могут располагаться в пространстве в произвольном порядке, составить различные вещества, которые под действием внешних условий (температуры, давления) могут находиться в различных агрегатных состояниях.

– Кто назовет эти состояния? (твердое, жидкое, газообразное)

Атомы и молекулы располагаются в определенном порядке, совершают тепловое движение около положения равновесия. Назовите это состояние

Назовите тему урока. Откройте тетради и запишите тему урока: “Строение твёрдых тел”. Сформулируйте цели сегодняшнего урока

3.Актуализация знаний.

В отличии от жидкостей твердые тела сохраняют свой объем и форму Чем это обусловлено? Более сильны взаимодействием молекул

4. Первичное усвоение новых знаний.

Твердые тела. Атомы или молекулы твердых тел, в отличие от атомов и молекул жидкостей, колеблются около определенных положений равновесия. По этой причине твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела существенно больше их кинетической энергии.
Если соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.

Кристаллическая решетка- пространственная структура с регулярным периодически повторяющимся расположение атомов.
На рисунке 245 ( стр 347) изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к правильным внешним геометрическим формам( рис 246)

Положение равновесия относительно которых атомы совершают хаотические тепловые колебания называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела разделяются на монокристаллические и поликристаллические

Монокристаллы имеют единую кристаллическую решетку и форму многогранников( рис 245 стр 347)

Свойства монокристалла зависят от строения его кристаллической решетки. Такая зависимость называется анизотропией.

Анизотропия- зависимость физических свойств вещества от направления: атомы углерода располагаются в параллельных друг другу плоскостях. Примеры: Механическая прочность слюды и графита различна по разным направлениям.

Многие кристаллы по – разному проводят тепло и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов (кристалл кварца по – разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей).

Одни и те же химические элементы – например углерод могут образовывать различные кристаллические решетки, Получаются кристаллы с различными свойствами . Это явление называется полиморфизм

Полиморфизм – существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества

три вида кристаллических решеток углерода( алмаз графит фуллерен имеют разны свойства

Поликристаллические тела: представляют собой твердые тела состоящие из сросшихся порядочно ориентированных мелких монокристаллов

Поэтому физические свойства поликристаллов не зависят от направления Такое свойство называется изотропия- независимость физических свойств вещества от направления

Еще один вид твердых тел- Аморфные тела – твердые тела у которых отсутствует кристаллическая решетка

К аморфным телам относятся стекла янтарь битум каучук пластмассы

Аморфные тела изотропны Они схожи с жидкостями те что их молекулы имеют определенное конечное время оседлой жизни- колебаний около положения равновесия. Но в отличии от жидкостей это время велико и может превышать десятки лет Потому при повышении температуры аморфные тела размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Физические свойства:

1)Нет строгого порядка в расположении атомов.

2) Не имеют постоянной температуры плавления и обладают текучестью.

3) Изотропны, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой подобны жидкостям.

Третьи видом твердых веществ являются композиты, в которых атомы расположены упорядоченно в определенных относительно больших областях, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью К композита относятся кости, дерево, кровеносные сосуды.

У кристаллических твердых тел молекулы (или атомы) расположены строго упорядоченно.

5.Первичная проверка понимания.

– От чего зависит то, что одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях? (от расстояния между частицами, от сил взаимодействия и от скорости движения молекул)

В твёрдых телах частицы расположены весьма близко друг к другу: расстояния между частицами порядка размера самих частиц. Силы взаимодействия между частицами твёрдого тела очень велики; расположение частиц в пространстве обладает периодической повторяемостью и образует так называемую кристаллическую решётку.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Модель строения твердых тел.

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Большинство веществ на Земле находится в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только объем, но и форму, т.к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно.

Рассмотрим фазовый переход жидкость - твердое тело. Плотно упакованные молекулы жидкости в основном колеблются относительно положения равновесия. Однако некоторые (наиболее быстрые) молекулы обладают достаточной кинетической энергией для перескока в соседнее положение равновесия. Молекулы жидкости, движущиеся хаотически и имеющие значительную кинетическую энергию, могут проходить соседние положения равновесия, не задерживаясь в них. Движение таких молекул подобно шарику, с большой скоростью проскакивающему углубления.

При охлаждении жидкости из-за уменьшения кинетической энергии молекулы начинают задерживаться около положения устойчивого равновесия. Так же шарик в достаточно глубокой яме и не может из нее выбраться.

Именно так происходит кристаллизация жидкости: при определенной температуре все молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия, их относительное расположение становится упорядоченным.

Кристаллизация (затвердевание) - фазовый переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твердое). Она возникает при охлаждении жидкости.

При кристаллизации жидкости происходит резкий, скачкообразный переход от неупорядоченного расположения частиц к упорядоченному.

Обратный процесс кристаллизации - это плавление.

Плавление - это фазовый переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое.

При повышении температуры твердого тела возрастает кинетическая энергия молекул. При определенной температуре, называемой температурой плавления, кинетическая энергия частиц становится достаточной для их перехода в соседнее положение. При плавлении кристаллическая решетка разрушается.

Подводимое извне количество теплоты идет на разрушение кристаллической решетки, т.е. на увеличение потенциальной энергии молекул. Средняя кинетическая энергия при плавлении не изменяется. Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты требуется, чтобы его расплавить его.

Кол-во теплоты, требуемое чтобы расплавить массу m,

Q_пл= λm, где λ-удельная теплота плавления.

Удельная теплота плавления - количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления.

Единица удельной теплоты плавления - джоуль на килограмм (Дж/кг).

При кристаллизации жидкости массой m такое же количество выделяется.

Q_кр= - λm, поэтому λ называется удельной теплотой кристаллизации.

По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.

При наличии периодичности в расположении атомов твердое тело является кристаллическим.

Кристаллическая решетка - пространственная структура с регулярным, периодически повторяющимся расположением частиц.

Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, является узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.

К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Примерами поликристаллов являются сахар-рафинад, а также металлические изделия, как вилки ложек, колпаки автомобильных колес.

При отсутствии периодичности в расположении атомов твердое тело является аморфным.

Аморфные тела – твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. В отличие от кристаллических у аморфных тел нет определенной температуры плавления.

К аморфным телам относятся стекло, резина (включая жевательную), каучук, смолы, пластмассы. Молекулярная структура аморфных тел напоминает хаотическое расположение сваренных макарон.

Третьим видом твёрдого вещества являются композиты. Атомы в композитах располагаются трёхмерно упорядоченно в определенной области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью. Композиты, такие как дерево, бетон, кость, кровеносные сосуды и другие состоят из различных, связанных друг с другом материалов.

Жидкие кристаллы

Существует такие вещества, которые обладают одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллов – это жидкие кристаллы (сокращенно ЖК). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожно малое количество энергии.

Механические свойства твердых тел

Механические свойства твердых тел обусловлены их молекулярной структурой. Внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению его формы и объёма, т.е. к деформации.

Деформация – это изменение формы и размера твердого тела под действием внешних сил.

Различают два вида деформаций – упругую и пластическую.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы. Упруго деформируются резина, сталь, человеческое тело, кости и сухожилия.

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. Пластичны свинец, алюминий, воск, пластилин.

Упругая деформация. Модуль Юнга.

Рассмотрим упругую деформацию стержня, длина которого а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F. Деформация стержня прекращается тогда, когда сила упругости становится равной внешней силе. Согласно закону Гука: F_упр = κ∆l,

где ∆l – абсолютное удлинение стержня.

Чтобы добиться аналогичного абсолютного удлинения ∆l стержня двойного сечения, требуется вдвое большая сила, поэтому для характеристики упругих свойств тела вводится механическое напряжение.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела: σ = (1)

Где σ - [Па (в Паскалях)] - механическое напряжение.

Более удобной величиной, чем абсолютное удлинение, является относительное удлинение.

Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине: ε = (2)

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины тела составляет его абсолютное удлинение.

Выражая F_упр и ∆l из равенств (1) и (2) и подставляя их в закон Гука, получаем: σ =

Коэффициент пропорциональности между напряжением и относительным удлинением называется модулем упругости (или модулем Юнга):

E = , где E – [Па] – модуль упругости ( модуль Юнга).

При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела: σ = Eε.

Закон Гука справедлив лишь при малой деформации, т.е. при малом относительном удлинении ε.

Пластическая деформация. Предел прочности.

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котром деформация ещё является упругой.

Пластичные материалы – материалы, которые не разрушаются при напряжении, значительно превышающем предел упругости.

Благодаря пластичности алюминий, медь, сталь можно подвергать различной механической обработке: штамповке, изгибу, растяжению. При дальнейшем увеличении деформации материал разрушается.

Предел прочности – максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

Модель строения твердого тела (кристаллические и аморфные тела) в молекулярно-кинетической теории.

Твердое тело — агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Кристаллические тела.

Твердое тело в обычных условиях трудно сжать или растянуть. Для придания твердым телам нужной формы или объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках: токарных, строгальных, шлифовальных.

В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Это объясняется тем, что притяжение между атомами (или молекулами) у них больше, чем у жидкостей (и тем более газов). Оно достаточно, чтобы удержать атомы около положений равновесия.

Молекулы или атомы большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, движения эти представляют собой колебания около определенных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Кроме того, в отличие от жидкостей, точки положений равновесия атомов или ионов твердого тела, будучи соединенными, располагаются в вершинах правильной пространственной решетки, которая называется кристаллической.

Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, называются узлами кристаллической решетки.

Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку (одиночный кристалл).

Анизотропия монокристаллов.

Поликристалл — твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Поликристаллическими являются большинство твердых тел, с которыми мы имеем дело в быту — соль, сахар, различные металлические изделии. Беспорядочная ориентация сросшихся микрокристалликов, из которых они состоят, приводит к исчезновению анизотропии свойств.

Аморфные тела.

Аморфные тела — это твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.

В этих телах молекулы (или атомы) колеблются около хаотически расположенных точек и, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время оседлой жизни. Но, в отличие от жидкостей, время это у них очень велико.

К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости: у аморфных тел нет определенной температуры плавления.

Этим они отличаются от кристаллических тел, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние не постепенно, а скачком (при вполне определенной температуре — температуре плавления).

Все аморфные тела изотропны, т. е. имеют одинаковые физические свойства по разным направлениям. При ударе они ведут себя как твердые тела — раскалываются, а при очень длительном воздействии — текут.

В настоящее время есть много веществ в аморфном состоянии, полученных искусственным путем, например, аморфные и стеклообразные полупроводники, магнитные материалы и даже металлы.

Читайте также: