Будова і властивості кристалічних тіл. Анізотропність. Твердими називають такі тіла, які зберігають власний об’єм і форму. Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони можуть лише коливатися навколо положення рівноваги, перейти в інше положення рівноваги молекула не може. Енергія й амплітуда коливань молекул тим більша, що вищою є температура тіла.

За впорядкованістю самих положень рівноваги тверді тіла поділяють на кристалічні й аморфні (мал. 173).

Кристали — це тверді тіла, у яких атоми або молекули розміщені впорядковано й утворюють періодично повторювану внутрішню структуру.

Періодична повторюваність структури зберігається в усіх напрямках у межах усього кристала. Говорять, що кристал має далекий порядок у розташуванні молекул. Можна виділити маленький об’єм (елементарну комірку), повторенням якої можна побудувати весь кристал, як будинок із цеглин. Іноді весь шматок твердої речовини являє собою один кристал. Такими є, наприклад, окремий шматочок цукру в цукровому піску, шматочок солі, гірського кришталю тощо. Такі кристалічні тіла називають монокристалами.

Елементарна комірка може мати форму куба, паралелепіпеда, призми тощо (мал. 174).

З такою будовою кристалічних тіл пов’язана анізотропія їхніх властивостей, тобто неоднаковість фізичних властивостей у різних напрямках.

Анізотропію виявляють механічні, теплові, електромагнітні й оптичні властивості кристалів, якщо за упорядкованого розміщення атомів, молекул або йонів сили взаємодії між ними й міжатомні відстані є неоднаковими в різних напрямках.

Утворення та використання кристалів. Кристали утворюються в природних умовах і штучно. За припущеннями вчених у природних умовах багато кристалів утворилося внаслідок охолодження рідкої речовини земної кори — магми, що є розплавом різних речовин. Багато мінералів виникли з перенасичених водних розчинів. Першим серед них необхідно назвати кам’яну сіль NaCl. Товщина пластів кам’яної солі, що утворилися під час випаровування води солоних озер, досягає в деяких родовищах кількох сотень метрів.

Штучні кристали можна виростити з розплаву шляхом кристалізації, з розчину та газу. Останнім часом швидкими темпами розвивається технологія вирощування монокристалів усіма відомими способами на космічних орбітальних станціях. Невагомість і космічний вакуум дають змогу вирощувати монокристали небачених раніше розмірів і хімічної чистоти.

Монокристали знайшли широке застосування в сучасній фізиці й техніці. Усі напівпровідникові прилади (діоди, транзистори) є кристалами зі спеціально введеними домішками. Виникла нова галузь електроніки — молекулярна електроніка. Монокристали є основною деталлю таких сучасних приладів, як квантові підсилювачі та генератори (мазери й лазери).

Будова та властивості аморфних тіл.

Ізотропність. Аморфні тіла за своєю будовою нагадують дуже густі рідини. В аморфних тілах існує лише ближній порядок у розташуванні частинок речовини (мал. 175). Прикладами аморфних тіл є шматки затверділої смоли, янтар, вироби зі скла.

Аморфні тіла, не маючи далекого порядку в структурі, значно відрізняються від кристалічних тіл своїми властивостями. Аморфні тіла ізотропні, тобто їх фізичні властивості однакові в усіх напрямках. Так, вони не мають певної температури плавлення й питомої теплоти плавлення, — з підвищенням температури вони поступово перетворюються на рідину. Аморфні тіла пластичні, тобто вони не відновлюють форму після припинення дії деформуючої сили.

Аморфний стан нестійкий: через деякий час аморфна речовина переходить у кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки й десятиліття). До таких речовин належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом багатьох років воно мутніє: у ньому утворюються дрібні кристалики силікатів.

Плавлення кристалів та аморфних тіл. Значна відмінність кристалічних тіл від аморфних виявляється в процесах плавлення і тверднення. Досліди показують, що кристалічні тіла плавляться і тверднуть за певної для кожної речовини температури, яку називають температурою плавлення. Під час нагрівання кристалічного тіла інтенсивність коливального руху молекул у кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що молекули (атоми) вже не можуть утриматися у вузлах ґратки, остання руйнується — відбувається плавлення. Для кожного кристалічного тіла температура плавлення своя.

Графік залежності температури T кристалічного й аморфного тіл від наданої кількості теплоти зображено на малюнку 176. Ділянка АВ графіка відповідає твердому стану кристалічної речовини й показує, що під час нагрівання температура кристалічного тіла змінюється.

Точка В відповідає температурі плавлення Т_пл, з досягненням якої під час нагрівання кристалічне тіло плавиться. Ділянка ВС графіка відповідає процесу плавлення кристалічного тіла, під час якого воно існує частково в рідкому, частково у твердому стані. Температура кристалічного тіла при цьому не змінюється. Уся кількість теплоти витрачається тільки на збільшення потенціальної енергії молекул тіла, а їхня кінетична енергія не змінюється. Тому не змінюється і температура.

Збільшення потенціальної енергії молекул приводить до руйнування кристалічної ґратки тіла, тобто до зміни агрегатного стану речовини. Точка С відповідає повному переходу кристалічного тіла в рідину під час плавлення. Ділянка CD графіка відповідає рідкому стану речовини й показує, що під час нагрівання температура рідини змінюється.

Аморфні тіла не мають певної температури плавлення або тверднення. У процесі плавлення (або тверднення) температура аморфних тіл безперервно змінюється (мал. 176).

Рідкі кристали. Наприкінці XIX ст. були відкриті речовини, внутрішня структура яких у рідкому стані мала властивості, характерні як для рідин (велика текучість, здатність перебувати в краплеподібному стані, злиття краплин при зіткненні), так і для твердих тіл (анізотропія). Такий стан речовин було названо мезоморфним, що означає — стан із проміжною структурою, а самі речовини пізніше почали називати рідкими кристалами. Рідкі кристали довгий час не застосовувалися в техніці. Починаючи із середини 60-х років інтерес до рідких кристалів небувало зріс у зв’язку з успішним використанням їх в оптико- й мікроелектроніці, у різних індикаторних пристроях і т. д. За останні десятиліття було створено основи

фізики рідких кристалів, одержано нові типи рідких кристалів, вивчено їхні властивості, які все ширше застосовуються в науці та техніці.

Молекули рідких кристалів мають витягнуту паличкоподібну форму. Саме така форма й визначає їх взаємне розташування всередині речовини — вони розташовані пліч-о-пліч одна до одної в певному порядку (мал. 177). Тому вони можуть рухатися лише вздовж своєї осі, повертатися на певний кут, але при цьому не можуть змінити напрямок свого розташування (на відміну від молекул рідини, які можуть рухатися в усіх напрямках). Нині загальноприйнятою є класифікація рідких кристалів на три основні стани: нематичний, смектичний і холестеричний.

Ефективно використовуються рідкі кристали в медицині. Вони дуже чуттєві до змін температури (десяті долі градуса) і при цьому змінюють своє забарвлення. Тому рідкі кристали дають змогу одержати картину розподілу температур на тілі людини, а отже, локалізувати запалення. Як системи відображення інформації рідкі кристали використовуються в наручних годинниках, вимірювальних приладах автомобілів. За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров’я людини випромінювання.

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних? Як візуально можна відрізнити кристал від аморфного тіла?

2. Що таке анізотропія? Ізотропність?

3. Якщо тілу властива анізотропія, то чи означає це, що воно обов’язково кристалічне?

4. У чому полягає відмінність у процесах плавлення кристалічних та аморфних тіл?

5. Чим обумовлено широке використання рідких кристалів?

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)