Народна Освіта » Фізика » § 6. Тверді кристалічні тіла

НАРОДНА ОСВІТА

§ 6. Тверді кристалічні тіла

 

Багато тіл, які ми зустрічаємо в природі чи користуємося в повсякденному житті, без сумніву можна назвати твердими. А масло чи тісто? Рідкими їх назвати не можна, але виникає сумнів, чи вони справді тверді. Гума - також не рідина, але дуже легко деформується, порівняно зі сталлю.

Для твердих тіл характерно, що вони зберігають форму й об'єм. Можна було б пожартувати, що тверді тіла завжди «у формі». Але треба визнати, що різні тверді тіла «підтримують» свою форму дуже по-різному. Дослідження атомної будови твердих тіл показали, що, не дивлячись на великі зовнішні відмінності, в твердих тілах потенціальна енергія взаємодії молекул (атомів) більша за модулем, ніж кінетична.

Якщо розглядати великі кристали (монокристали кам'яної солі, сніжинок, мідного купоросу, сірки, кварцу (мол. 6.1), то можна легко побачити їх симетрію. Кристали слюди легко розщепити на окремі тонкі пластинки, товщина яких вздовж усієї поверхні однакова. А для скла і металів така симетрія не очевидна. Проте, метали належать до кристалічних тіл, а скло - ні.

Правильна форма монокристалів, їх блиск, гра світла і кольору завжди викликали цікавість і захоплення. Зовнішня симетрія кристалів пояснюється правильним просторовим розміщенням атомів (молекул). Це відкриття зробили на початку XX ст. за допомогою рентгенівських променів. (Поняття про просторову кристалічну ґратку було введене французьким кристалографом і математиком Огюстом Браве ще в XIX столітті).

Атоми (молекули) твердого тіла коливаються відносно фіксованих у просторі точок. Якщо при сполученні цих точок лініями

утворюється певна правильна геометрична фігура Qi називають кристалічною ґраткою), то це кристалічна речовина.

Розглянемо спочатку модель простої кубічної ґратки, зобразивши атоми у вигляді кульок, центри яких знаходяться у вершинах куба (мол. 6.2, а). Вся картина в цілому нагадує будівельне риштування.

Найменша структура, повторенням якої у трьох основних напрямах отримується вся кристалічна ґратка, називається елементарною коміркою. Вершини комірки називають вузлами кристалічної ґратки. На малюнку 6.2а вона виділена товстими лініями. У даному випадку це звичайний куб, довжина сторони якого називається сталою ґратки.

Складемо чотири однакові пластилінові кульки так, щоб вони лежали в одній площині і доторкалися одна до одної, а їх центри утворювали квадрат. Ще одну таку конструкцію розмістимо над першою так, щоб центри верхніх кульок знаходились точно над центрами нижніх (мал. 6.2, 6).Кожен атом у такому кристалі має шість найближчих сусідів. Число найближчих сусідів даного атому називають координаційним числом.

 

Кристалічні речовини мають правильне, симетричне і закономірне розміщення атомів (молекул) у просторі. Увесь кристал можна отримати повторенням (трансляцією) елементарної комірки в трьох напрямах. Кажуть, що в цьому випадку в розміщенні атомів має місце дальній порядок, оскільки один і той самий «візерунок» - елементарна комірка -повторюється мільярди разів. Знаючи структуру твердого кристалічного тіла, можна багато сказати про його властивості.

Якщо в кубічній елементарній комірці атоми розміщені не тільки у вершинах куба, а є ще додатковий атом у центрі, то така ґратка називається об'ємоцентрованою кубічною (ОЦК) (мал. 6.3).Кожен атом у ній має вісім найближчих сусідів. В ОЦК-ґратці атоми розміщені щільніше, ніж у простій кубічній.

Якщо атоми знаходяться у вершинах куба і в центрі кожної грані, то така ґратка називається гранецентрованою кубічною (ГЦК)

(мал. 6.4). У цьому випадку кожен атом має дванадцять найближчих сусідів. У центрі кожної грані куба знаходиться по одному додатковому атому. Така «упаковка» атомів навіть щільніша, ніж у ОЦК-ґратці.

ПРИКЛАД 6.1

Багато металів, наприклад, залізо, мають кубічну гратку. Проте залізо може бути дуже твердим, а може бути і більш м'яким. Дуже давно дослідним шляхом відкрили секрет «загартовування» мечів. Загартування полягає в тому, щоб нагріте залізо швидко охолодити. Кристалічна ґратка заліза при кімнатній температурі має ОЦК-ґратку. Це «м'яке» залізо. При певній високій температурі, атоми заліза перебудовуються у ГЦК-ґратку, утворюючи дуже тверде залізо і воно, після різкого охолодження, може таким і залишитися.

Отже, кожному кристалічному тілу властивий свій особливий спосіб розміщення атомів (молекул) у просторі та періодичне повторення певного «візерунка». Кристалічні ґратки відрізняються геометричною структурою (просторовим розміщенням атомів) і можуть складатися з атомів, молекул чи йонів (йоном називають атом, який втратив один або кілька електронів чи придбав зайві, взаємодіючи із сусідніми атомами).

 

Кристалічна ґратка кухонної солі, наприклад, складається з йонів, а цукру - з молекул. Основу структури кам'яної солі (NaCI) складає кубічна ґратка, в якій чергуються йони натрію і хлору. Атом Хлору «перетягує» до себе один електрон Натрію і стає негативно зарядженим йоном (його загальний заряд дорівнює -е). Атом Натрію, який втратив електрон, перетворюється в позитивно заряджений йон (його загальний заряд дорівнює +е) (мал. 6.5). Мінімальна відстань між центрами атомів Натрію і Хлору - період повторення ґратки NaCI - дорівнює 5,63 А. Іони Натрію і Хлору схематично можна зобразити кульками різного діаметра, які доторкаються між собою.

Кристалічна ґратка графіту має вигляд сукупності паралельних площин. У межах площини атоми Карбону утворюють візерунок, який складається із шестикутників. У площині атоми взаємодіють між собою досить сильно, а зв'язок між атомами площин значно слабший (мал. 6.6).

Розглянемо властивості двох речовин - графіту й алмазу, які складаються з атомів одного й того самого хімічного елемента - Карбону, але мають різні кристалічні ґратки. Якщо вести грифелем графітового олівця по аркушу паперу, шари із площин легко зісковзують і залишають чорний слід. Грифель складається з дрібненьких кристаликів. Чим менші кристалики, тим м'якший олівець і тим товстіший слід, який він залишає на папері.

Графіт - чорний, матовий, м'який, проводить струм як і метали, густина його становить 2,1 г/см3. Алмаз же має зовсім інші властивості. Він може бути прозо-

рим, дуже твердий, горить у струмені кисню при температурі, трохи вищій за 700°С, не проводить струму, його густина 3,5 г/см3. Графіт плавиться при 3850°С. Кристали графіту - гнучкі, а алмазу - крихкі.

Кристалічна ґратка алмазу зображена на малюнку 6.7. Порівняно з ґратками металів і графіту упакування атомів в ґратці алмазу досить не таке щільне. Якщо у вузлах такої ґратки розмістити тверді кульки, то у проміжках залишиться достатньо місця, щоб вкласти туди майже стільки ж кульок, тобто густина упакування в ґратці алмазу приблизно в два рази менша, ніж у ґратці металу (див. табл. 6.1). При цьому кожен атом перебуває в оточенні чотирьох сусідів, які розміщені досить симетрично.

При плавленні силіцію чи германію, які мають ґратку, подібну до алмазу, густина упакування збільшується. Тому густина рідкого силіцію і германію більша, а об'єм-менший.

Якщо кристалічне тіло є одним цілим правильним кристалом, то воно називається монокристалічним. Великі монокристали кварцу, солі, цукру, мідного купоросу та інших речовин і мінералів можна побачити в музеях мінералогії. їх можна виростити й самому.

Монокристали силіцію, германію та деяких інших напівпровідників -основа сучасної мікроелектронноїтехніки і комп'ютерів.

Таблиця 6.1

Дані про типи ґраток деяких речовин

Речовина

Тип

ґратки

Залізо

оцк

Мідь

гцк

Срібло

гцк

Алмаз

Алмазна

Полікристалічні тіла

Тіло може складатися з великої кількості маленьких монокристаликів, які «зрослися» між собою. Тоді його називають полікристалічним. Полікристалом є кубик цукру-рафінаду. Усі метали є полікристалами.

Властивості твердих тіл

Механічні, теплові, електричні, оптичні та інші властивості твердих тіл використовують в індустрії та різноманітних технологіях. Якщо тіла мають однакові властивості в усіх напрямках, то їх називають ізотропними. Тіла, що мають різні властивості у різних напрямках називають анізотропними.

Аморфні тіла та полікристали - ізотропні, а монокристали, як правило -анізотропні. Але, наприклад, монокристали з простою кубічною граткою - мають ізотропні властивості.

ДОСЛІД 6.1. Вивчення монокристалів

Візьміть сіль чи цукор і знайдіть серед них великі кристалики. Розгляньте їх крізь збільшуване скло, а ще краще - в мікроскоп. Зверніть увагу на правильну геометричну форму кристалів. Зробіть малюнки цих кристалів. Висловіть припущення щодо форми їхньої елементарної комірки.

ДОСЛІД 6.2. Вирощування полікристалічної «гірлянди»

Наберіть у склянку гарячої води (поверхня води має бути на 2 см нижче від вінців склянки) і розчиніть у ній стільки солі, щоб вона уже більше не розчинялась, а залишалася нерозчиненою на дні навіть після перемішування води. Так отримується насичений розчин солі. Намочіть нитку довжиною близько 15 см, залишивши сухими 5 см. Виваляйте мокру частину нитки в солі, щоб кристалики на неї наліпилися. Прикріпіть суху частину нитки до олівця (чи чайної ложки) довжиною трохи більшою за діаметр склянки і поставте цю конструкцію сохнути. Коли розчин солі у склянці охолоне до кімнатної температури (розчин став перенасиченим), опустіть у нього нитку з кристаликами (вони будуть центрами росту нових кристалів - «зародками»), поклавши олівець кінцями на вінця. Поставте склянку в таке місце, де її ніхто не чіпатиме. Нитку вийміть із розчину через добу. Ви побачите, що нитка обліплена досить крупними кристаликами. Виберіть серед них кристали, що мають найбільш правильну форму, і уважно розгляньте їх крізь збільшувальне скло. Опустіть нитку з кристалами, які наросли на ній, у склянку з чистою водою і подивіться, що буде через деякий час.

ДОСЛІД 6.3. Спостереження за ростом кристалів

Нанесіть на предметне скло мікроскопа крапельку розчину солі. Вода з часом випаровується, і розчин стає насиченим. Найшвидше це станеться біля краю крапельки. Наведіть мікроскоп на край краплі й уважно спостерігайте. Якщо у вас вистачить терпіння, то ви побачите момент зародження кристала. Це надзвичайне видовище! Кристал з'являється і росте у вигляді голки. Край кристала рухається дуже швидко, як стріла. Якщо ви цей момент проґавите, то побачите уже закристалізовану «краплю». Це також надзвичайно цікава картина: цілі розсипи кристаликів виблискують дивним світлом. Якщо у вас є інші кристалічні речовини (мідний купорос, солі амонію), то проведіть дослід і з їхніми розчинами.

ДОСЛІД 6.4. Вирощування великого монокристала

Спробуйте виростити великий монокристал солі. Для цього знайдіть серед крупинок солі великий кристалик і приклейте його до нитки. Опустіть кристалик («зародок») у перенасичений розчин солі і залишіть на ніч. Уранці вийміть нитку і переконайтесь, що кристал став більшим. Потім потрібно знову приготувати перенасичений розчин і повторити процедуру. Цікаво, кристал яких максимальних розмірів ви отримаєте? Не думайте, що кристал буде мати ідеальну форму, цього досить важко досягти. У спеціальних пристроях отримують кристали солі у вигляді куба зі стороною 10 см. Він прозорий і схожий на скляний. Потім цей куб розпилюють на дві трикутні призми і використовують в спектрометрах, що досліджують ультрафіолетове світло.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

6.1. Чому при однаковій температурі частота коливань атомів у твердих тілах більша, ніж у рідинах? Підготуйте повідомлення на цю тему.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Кристалічні речовини мають правильне, симетричне і закономірне розміщення атомів (молекул) у просторі.

Число найближчих сусідів даного атома називають координаційним числом.

Найменша структура, повторенням якої у трьох основних напрямах отримується вся кристалічна ґратка, називається елементарною коміркою. Вершини комірки називають вузлами кристалічної ґратки.

ВПРАВА №6

1.    Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних?

2.    Чим відрізняються аморфні тіла від рідин?

3.    Чим схожі аморфні й рідкі тіла?

4.    Чим схожі кристалічні й аморфні тіла?

5.    Чим відрізняються між собою кристалічні тіла?

6.    Чи можуть одні й ті ж атоми утворювати різні кристалічні комірки? Наведіть приклади.

7.    Поясніть, чому аморфні тіла ізотропні.

8.    На малюнку 6.2а та 6.26 зображені два різних малюнки елементарної комірки. Які недоліки і переваги мають ці моделі?

9.    Інколи грифель твердого олівця дряпає папір. Спробуйте пояснити це явище.

10.    Доведіть, що на кожен атом кубічної комірки припадає об'єм, що дорівнює об'єму комірки.

11.    Кожен атом кубічної ґратки належить восьми сусіднім коміркам. Доведіть, що кожній комірці належить 1/8 його частина. (Щоб легше це зрозуміти, складіть із восьми дитячих кубиків великий куб.)

 

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка 

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 11-08-2016, 14:04, посмотрело: 1023