Інформація про новину
  • Переглядів: 184
  • Дата: 1-12-2020, 01:55
1-12-2020, 01:55

34. Строение и свойства твердых тел. Анизотропия кристаллов. Жидкие кристаллы

Категорія: Учебники » Физика





Попередня сторінка:  33. Поверхностное натяжение жидкости. С...
Наступна сторінка:   35. Механические свойства твердых тел

Большинство веществ на поверхности Земли находятся в твердом состоянии. Парта, за которой вы работаете, карандаш, который держите в руке, кости вашей руки и т. д. — это все твердые тела. Разговор о том, как расположены молекулы в твердых телах и какими свойствами обладают твердые тела в результате такого расположения, продолжим в этом параграфе.

Аморфные, — значит, не имеющие формы? Так ли это?

Вы уже знаете, что по структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Молекулы, атомы, ионы аморфных тел в целом расположены хаотично, и только внутри небольших локальных групп, содержащих всего несколько частиц, они расположены в определенном порядке (ближний порядок). Физические свойства аморфных тел (теплопроводность, электропроводность, прочность, оптические свойства и т. д.) одинаковы во всех направлениях — аморфные тела изотропны.

Изотропия (от греч. isos — равный и tropos — направление, свойство) — независимость физических свойств от направления, выбранного в теле.

Примерами аморфных тел могут быть стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Аморфные тела определенное время сохраняют свою форму, однако при продолжительном воздействии они текут. Если аморфное тело нагревать, то оно размягчается постепенно и его переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

Рис. 34.1. Некоторые виды кристаллических решеток: а — простая кубическая; б — объемно-центрированная кубическая; в — гранецентрированная кубическая; г — гексагональная

Что такое полиморфизм

В кристаллических телах частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в строго определенном порядке. Если соединить центры положений равновесия частиц кристаллического тела, то получится правильная пространственная решетка, которую называют кристаллической. Доказано, что существует 230 типов кристаллических решеток.

Например, в кристалле полония ионы Полония расположены в вершинах куба, образуя простую кубическую решетку (рис. 34.1, а).

Ионы чистого Феррума при комнатной температуре размещены в вершинах куба, кроме того, один ион расположен в центре куба — это объемноцентри-рованная кубическая решетка (рис. 34.1, б).

Если нагреть железо до 906 °С, то расположение ионов Феррума резко изменится — решетка перестроится. Центральные ионы сместятся, а в середине каждой грани куба появится дополнительный ион — это гранецентрированная кубическая решетка (рис. 34.1, в). В такой решетке частицы упакованы более плотно, чем в объемноцентри-рованной. Плотная упаковка наблюдается также в гексагональной решетке (рис. 34.1, г).

Обратите внимание! Частицы в кристаллах плотно упакованы, расстояния между их центрами примерно равны размеру частиц (электронные облака частиц соприкасаются), а вот в изображении кристаллических решеток часто указывают только положения равновесия частиц.

Многие кристаллические вещества имеют одинаковый химический состав, однако из-за различной структуры кристаллической решетки отличаются своими физическими свойствами (рис. 34.2). Такое явление называют полиморфизмом, а переход из одной кристаллической структуры в другую — полиморфным переходом.

Например, в производстве искусственных алмазов используют полиморфный переход графита в алмаз. Этот переход происходит при давлениях 60 тыс. — 100 тыс. атмосфер и при температурах 1800-2300 °С. И наоборот: в результате нагревания в вакууме до температуры около 1500 °С алмаз превращается в графит.

Почему монокристаллы анизотропны

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами.

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

Упорядоченное расположение частиц в монокристалле является причиной того, что монокристаллы имеют плоские грани и постоянные углы между гранями (рис. 34.3); физические свойства монокристаллов зависят от выбранного в них направления.

Зависимость физических свойств кристалла от выбранного в нем направления называют анизотропией (от греч. anisos — неравный и tropos — направление, свойство).

Так, механическая прочность многих кристаллов различна в разных направлениях: кусок слюды легко расслаивается на тонкие пластины в одном направлении, но его намного сложнее разломать перпендикулярно пластинам.

От направления, выбранного в кристалле, зависят его теплопроводность, электропроводность, прозрачность, линейное расширение и многие другие физические свойства. Анизотропия кристаллов обусловлена их кристаллической решеткой: в разных направлениях расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, разные (рис. 34.4).

В каком направлении прочность графита наименьшая (см. рис. 34.2, б)?

Большие монокристаллы встречаются редко. Чаще всего кристаллические твердые тела являются поликристаллическими.

Поликристаллические вещества — это вещества, состоящие из множества сросшихся хаотично ориентированных кристалликов (кристаллитов).

В отличие от монокристаллов поликристаллические тела изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела легко увидеть с помощью микроскопа. Большинство металлов, используемых человеком, — поликристаллические.

Жидкие кристаллы

Жидкий кристалл — состояние вещества, сочетающее текучесть жидкости и анизотропию кристаллов.

В жидкости частицы в целом расположены хаотически и могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях; в кристаллическом твердом теле существует трехмерный дальний порядок и частицы могут только колебаться около положений равновесия. В жидком кристалле имеется определенная упорядоченность в расположении молекул (рис. 34.5), однако допускается и некоторая свобода их перемещения. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние наблюдается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму.

Рис. 34.5. Некоторые типы жидких кристаллов: а — смектические (молекулы ориентированы параллельно друг другу и образуют тонкие слои);

6 — нематические (нитевидные молекулы направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз); в —холестерические (плоские длинные молекулы собраны в слои, повернутые относительно друг друга)

Зависимость оптических свойств жидких кристаллов от температуры и электрического поля обеспечила их широкое применение в дисплеях часов и калькуляторов, в персональных компьютерах, плоских телевизионных экранах; их используют в медицине (например, как индикаторы температуры) и пр. Так, угол поворота осей молекул в каждом слое холестерического жидкого кристалла зависит от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла, поэтому если тонкую полимерную пленку с микрополостями, заполненными холестериком, наложить на тело, то получится цветное отображение распределения температуры.

Контрольные вопросы

1. Почему аморфные тела изотропны? 2. Какие свойства характерны для монокристаллов? 3. Что такое анизотропия? Приведите примеры ее проявления. 4. Все ли кристаллические тела анизотропны? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ. 5. Что такое полиморфизм? Приведите примеры, б. В чем особенности строения и свойств жидких кристаллов? Где их применяют?

Упражнение № 34

1. Кварцевый шарик после нагревания приобрел форму эллипсоида. Почему?

2. Каждую из двух тонких пластин, изготовленных из разных веществ, сверху покрыли слоем воска. Снизу к каждой пластине прижали острие раскаленной иглы (рис. 1, а) — на небольшом участке вокруг острия воск растаял. По форме участков (рис. 1, б, в) определите, какая пластина изготовлена из поликристаллического вещества, а какая является монокристаллом. Ответ обоснуйте.

3. В современных смартфонах используют два типа LCD (liquid crystal display) — жидкокристаллических дисплеев (рис. 2). Смартфоны с дисплеем TFT LCD стоят меньше, однако потребители часто предпочитают смартфоны с дисплеем IPS LCD. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, попробуйте объяснить почему.

4. «Полимеры — материалы будущего». Подготовьте краткое сообщение о структуре полимеров и их применении в одной из областей: промышленность, сельское хозяйство, медицина, быт и т. п. Какие природные материалы сберегают, заменяя их полимерами?

Физика и техника в Украине

Институт монокристаллов НАН Украины (Харьков) имеет более чем полувековую историю и является одним из признанных лидеров в следующих областях:

♦ фундаментальные исследования структуры, физических и физико-химических свойств кристаллов, тонких пленок, наноматериалов;

♦ разработка и совершенствование высокотехнологичного оборудования и методов производства кристаллов различного функционального назначения.

Исследования и разработки института широко востребованы в мире — об этом свидетельствуют его многочисленные научные и производственные связи, участие в крупных международных научных экспериментах, расширение внешнеэкономической деятельности на основе созданных высоких технологий. Характерная особенность института — законченный цикл научных разработок от идей и исследований до создания материалов и их внедрения в производство.

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий

 



Попередня сторінка:  33. Поверхностное натяжение жидкости. С...
Наступна сторінка:   35. Механические свойства твердых тел



^