-->
|
|
|
Ãëàâà 12. Òâ¸ðäûå òåëà § 72. Êðèñòàëëè÷åñêèå è àìîðôíûå òåëàÌû æèâ¸ì íà ïîâåðõíîñòè òâ¸ðäîãî òåëà — çåìíîãî øàðà, â äîìàõ, ïîñòðîåííûõ èç òâ¸ðäûõ òåë. Ðàçëè÷íûå ïðèáîðû, îðóäèÿ òðóäà ñäåëàíû èç òâ¸ðäûõ òåë. Çíàòü ñâîéñòâà òâ¸ðäûõ òåë íåîáõîäèìî. Âñïîìíèòå, ÷òî òàêîå òâ¸ðäîå òåëî. ×åì ìû ïðåíåáðåãàëè, êîãäà â ìåõàíèêå ñ÷èòàëè, ÷òî òåëî àáñîëþòíî òâ¸ðäîå? Êàêîâû ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà òâ¸ðäûõ òåë? Êàêèå ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû õàðàêòåðèçóþò ñâîéñòâà òâ¸ðäûõ òåë? Òâ¸ðäûå òåëà ñîõðàíÿþò íå òîëüêî ñâîé îáú¸ì, êàê æèäêîñòè, íî è ôîðìó. Îíè íàõîäÿòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè.
Ïîýòîìó êðèñòàëëû èìåþò ïëîñêèå ãðàíè. Íàïðèìåð, êðóïèíêà îáû÷íîé ïîâàðåííîé ñîëè èìååò ïëîñêèå ãðàíè, ñîñòàâëÿþùèå äðóã ñ äðóãîì ïðÿìûå óãëû (ðèñ. 12.1). Ýòî ìîæíî çàìåòèòü, ðàññìàòðèâàÿ ñîëü ñ ïîìîùüþ ëóïû. À êàê ãåîìåòðè÷åñêè ïðàâèëüíà ôîðìà ñíåæèíêè!  íåé òàêæå îòðàæåíà ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïðàâèëüíîñòü âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîãî òâ¸ðäîãî òåëà — ëüäà (ðèñ. 12.2). Àíèçîòðîïèÿ êðèñòàëëîâ. Îäíàêî ïðàâèëüíàÿ âíåøíÿÿ ôîðìà íå åäèíñòâåííîå è äàæå íå ñàìîå ãëàâíîå ñëåäñòâèå óïîðÿäî÷åííîãî ñòðîåíèÿ êðèñòàëëà.
Ïðåæäå âñåãî áðîñàåòñÿ â ãëàçà ðàçëè÷íàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü êðèñòàëëîâ ïî ðàçíûì íàïðàâëåíèÿì. Íàïðèìåð, êóñîê ñëþäû ëåãêî ðàññëàèâàåòñÿ â îäíîì èç íàïðàâëåíèé íà òîíêèå ïëàñòèíêè (ðèñ. 12.3), íî ðàçîðâàòü åãî â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì ïëàñòèíêàì, ãîðàçäî òðóäíåå. Òàê æå ëåãêî ðàññëàèâàåòñÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè êðèñòàëë ãðàôèòà.
Ýòî ïðîèñõîäèò ïîòîìó, ÷òî êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåø¸òêà ãðàôèòà èìååò ñëîèñòóþ ñòðóêòóðó. Ñëîè îáðàçîâàíû ðÿäîì ïàðàëëåëüíûõ ñåòîê, ñîñòîÿùèõ èç àòîìîâ óãëåðîäà (ðèñ. 12.4). Àòîìû ðàñïîëàãàþòñÿ â âåðøèíàõ ïðàâèëüíûõ øåñòèóãîëüíèêîâ. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ñëîÿìè ñðàâíèòåëüíî âåëèêî — ïðèìåðíî â 2 ðàçà áîëüøå, ÷åì äëèíà ñòîðîíû øåñòèóãîëüíèêà, ïîýòîìó ñâÿçè ìåæäó ñëîÿìè ìåíåå ïðî÷íû, ÷åì ñâÿçè âíóòðè èõ. Ìíîãèå êðèñòàëëû ïî-ðàçíîìó ïðîâîäÿò òåïëî è ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ. Îò íàïðàâëåíèÿ çàâèñÿò è îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ. Âñå êðèñòàëëè÷åñêèå òåëà àíèçîòðîïíû. Ìîíîêðèñòàëëû è ïîëèêðèñòàëëû. Êðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó èìåþò ìåòàëëû.
Åñëè âçÿòü ñðàâíèòåëüíî áîëüøîé êóñîê ìåòàëëà, òî íà ïåðâûé âçãëÿä åãî êðèñòàëëè÷åñêîå ñòðîåíèå íèêàê íå ïðîÿâëÿåòñÿ íè âî âíåøíåì âèäå ýòîãî êóñêà, íè â åãî ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ. Ìåòàëëû â îáû÷íîì ñîñòîÿíèè íå îáíàðóæèâàþò àíèçîòðîïèè. Äåëî çäåñü â òîì, ÷òî îáû÷íî ìåòàëë ñîñòîèò èç îãðîìíîãî êîëè÷åñòâà ñðîñøèõñÿ äðóã ñ äðóãîì ìàëåíüêèõ êðèñòàëëèêîâ. Ïîä ìèêðîñêîïîì èëè äàæå ñ ïîìîùüþ ëóïû èõ íåòðóäíî ðàññìîòðåòü, îñîáåííî íà ñâåæåì èçëîìå ìåòàëëà (ðèñ. 12.5). Ñâîéñòâà êàæäîãî êðèñòàëëèêà çàâèñÿò îò íàïðàâëåíèÿ, íî êðèñòàëëèêè îðèåíòèðîâàíû ïî îòíîøåíèþ äðóã ê äðóãó áåñïîðÿäî÷íî.  ðåçóëüòàòå â îáú¸ìå, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùåì îáú¸ì îòäåëüíûõ êðèñòàëëèêîâ, âñå íàïðàâëåíèÿ âíóòðè ìåòàëëîâ ðàâíîïðàâíû è ñâîéñòâà ìåòàëëîâ îäèíàêîâû ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì.
 îáû÷íûõ óñëîâèÿõ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîå òåëî îáðàçóåòñÿ â ðåçóëüòàòå òîãî, ÷òî íà÷àâøèéñÿ ðîñò ìíîãèõ êðèñòàëëîâ ïðîäîëæàåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà îíè íå ïðèõîäÿò â ñîïðèêîñíîâåíèå äðóã ñ äðóãîì, îáðàçóÿ åäèíîå òåëî. Ê ïîëèêðèñòàëëàì îòíîñÿòñÿ íå òîëüêî ìåòàëëû. Êóñîê ñàõàðà, íàïðèìåð, òàêæå èìååò ïîëèêðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó.
Ìû ãîâîðèëè òîëüêî î òð¸õìåðíûõ êðèñòàëëàõ.  2004 ã. áûë ïîëó÷åí ãðàôåí — äâóìåðíûé êðèñòàëë, ñîñòîÿùèé èç îäèíî÷íîãî ñëîÿ àòîìîâ óãëåðîäà è èìåþùèé èäåàëüíóþ ãåêñàãîíàëüíóþ ðåø¸òêó (ðèñ. 12.6).  30-õ ãîäàõ ïðîøëîãî âåêà áûëî äîêàçàíî, ÷òî äâóìåðíûå êðèñòàëëû íåóñòîé÷èâû è ëåãêî ðàçðóøàþòñÿ. Îäíàêî ãðàôåí èìååò âîëíîîáðàçíóþ ñòðóêòóðó, ÷òî îïðåäåëÿåò åãî óñòîé÷èâîñòü. Ãðàôåí îáëàäàåò óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè — îí ïðî÷åí, èìååò âûñîêóþ ïðîâîäèìîñòü è ïðîçðà÷åí. Èç íåãî ìîæíî ñîáðàòü òð¸õìåðíûé êðèñòàëë ãðàôèòà.
Àìîðôíûå òåëà. Êðîìå òâ¸ðäûõ òåë, èìåþùèõ êðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó, êîòîðàÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñòðîãèì ïîðÿäêîì â ðàñïîëîæåíèè àòîìîâ, ñóùåñòâóþò àìîðôíûå òâ¸ðäûå òåëà. Ó àìîðôíûõ òåë íåò ñòðîãîãî ïîðÿäêà â ðàñïîëîæåíèè àòîìîâ. Òîëüêî áëèæàéøèå àòîìû-ñîñåäè ðàñïîëàãàþòñÿ â íåêîòîðîì ïîðÿäêå. Íî ñòðîãîé ïîâòîðÿåìîñòè ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì îäíîãî è òîãî æå ýëåìåíòà ñòðóêòóðû, êîòîðàÿ õàðàêòåðíà äëÿ êðèñòàëëîâ, â àìîðôíûõ òåëàõ íåò. Ïî ðàñïîëîæåíèþ àòîìîâ è ïî èõ ïîâåäåíèþ àìîðôíûå òåëà àíàëîãè÷íû æèäêîñòÿì. ×àñòî îäíî è òî æå âåùåñòâî ìîæåò íàõîäèòüñÿ êàê â êðèñòàëëè÷åñêîì, òàê è â àìîðôíîì ñîñòîÿíèè. Íàïðèìåð, êâàðö Si02 ìîæåò áûòü êàê â êðèñòàëëè÷åñêîé, òàê è â àìîðôíîé ôîðìå (êðåìíåç¸ì). Êðèñòàëëè÷åñêóþ ôîðìó êâàðöà ñõåìàòè÷åñêè ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ðåø¸òêè èç ïðàâèëüíûõ øåñòèóãîëüíèêîâ (ðèñ. 12.7, à). Àìîðôíàÿ ñòðóêòóðà êâàðöà òàêæå èìååò âèä ðåø¸òêè, íî íåïðàâèëüíîé ôîðìû. Íàðÿäó ñ øåñòèóãîëüíèêàìè â íåé âñòðå÷àþòñÿ ïÿòè- è ñåìèóãîëüíèêè (ðèñ. 12.7, á).
|
|
|