Фізика 10 клас (Остапенко Т.М.)

Кристалічні й аморфні тверді тіла. Внутрішня будова кристалів

Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску; в'язкість аморфних речовин під час нагрівання зменшується; вони переходять у рідкий стан, розм'якшуючись поступово.
Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише свій об'єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників.
Кристали певної речовини можуть мати різну форму, оскільки вона залежить від умов їх утворення.

 Монокристали і полікристали. Іноді весь шматок твердої речовини може становити собою один кристал. Такі, наприклад, шматочки цукру, солі, гірського кришталю тощо. Це все окремі кристали, їх називають монокристалами. В інших випадках тіла складаються з безлічі кристалів, які зрослися між собою. Кристалічну будову мають всі метали у твердому стані. Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених дрібних кристалів називають полікристалічним, або полікристалом.
Анізотропія механічних властивостей монокристалів проявляється насамперед у тому, що їх міцність у різних напрямах різна. Монокристали легше руйнуються в одних напрямах, ніж в інших, і саме тому їх злами плоскі.
Полікристалічні тіла є ізотропними, тобто їх фізичні властивості, як і аморфних тіл, у всіх напрямках однакові. Це пояснюється тим, що полікристали складають з величезної кількості невпорядковано орієнтованих дрібних кристаликів, які зрослися між собою.
Широке застосування в сучасній фізиці і техніці дістали монокристали. Майже всі напівпровідникові прилади - це монокристали зі спеціально введеними домішками, які надають їм тих чи інших властивостей.
Внутрішня будова кристалів. Залежність фізичних властивостей кристалів від напряму і правильність їхніх геометричних форм давали підстави для припущення про впорядкованість частинок, які утворюють кристал. 
Частинки, з яких складається кристал, при тепловому русі коливаються навколо положень рівноваги, які називають вузлами.
Інші кристали мають складнішу будову. В їхніх вузлах містяться атоми вуглецю. Вузол - це положення рівноваги частинки, яка входить до складу кристала, тобто точка. Відстань між вузлами умовно позначає відстань між центрами атомів і молекул.

Розрізняють чотири типи кристалів (і кристалічних решіток): іонні, атомні, металічні і молекулярні.
Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв'язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв'язком.
За умови ковалентного зв'язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар.

Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв'язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії. 
Металічні кристали. У всіх вузлах гратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.
Кожна частинка в кристалі (молекула, атом чи іон) знаходиться в певному положенні рівноваги, в якому сили відштовхування і притягання з боку інших частинок, які утворюють кристал, однакові.
Спостерігати і безпосередньо вимірювати сили, які діють на окремі молекули, атоми чи іони, не можна.

 Сила пружності. Закон Гука для деформацій розтягу-стискання  

При деформації тіла виникає сила, яка насагається відновити колишні розміри і форму тіла. Ця сила виникає внаслідокелектромагнітної взаємодії між атомами і молекулами речовини. Її називають силою пружності.

Простим видом деформації є деформації розтягу та стискання

При малих деформаціях (|x| << l) сила пружності пропорційна деформації тіла і направлена в бік, протилежний напряму переміщення часток тіла при деформації: 

Це співвідношення виражає експериментально встановлений закон Гука.

Коефіцієнт  К до називається жорсткістю тіла. У системі СІ жорсткість вимірюється в ньютонах на метр (Н/м). Коефіцієнт жорсткості залежить від форми і розмірів тіла, а також від матеріалу.

У фізиці закон Гука для деформації розтягування або стискування прийнято записувати в іншій формі. Відношення ε = x / lназивається відносною деформацією, а відношення σ = F / S = -F_пр / S    де S - площа поперечного перерізу деформованого тіла, називається механічню напругою. Тоді закон Гука можна сформулювати так: відносна деформація ε  пропорційна механічній напрузі σ : 

Коефіцієнт E у цій формулі називається модулем Юнга. Модуль Юнга залежить тільки від властивостей матеріалу і не залежить від розмірів і форми тіла. Модуль Юнга різних матеріалів міняється в широких межах. Для сталі, наприкладE ~ 2·10¹¹ Н/м^2, а для гуми E ~ 2·10⁶ Н/м²     тобто на п'ять порядків менше.