Порядок и тепловые колебания
Сравни монокристалл, зёрна поликристалла и аморфное тело. Запусти колебания.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Рисунок двумерный, структуры схематичны. Регулятор задаёт наглядную амплитуду, а не реальную температуру плавления.
Порядок: колебания около устойчивых положений
В кристалле частицы расположены упорядоченно: структура повторяется на расстояниях, значительно больших межатомного. Это дальний порядок. Частицы не неподвижны, а совершают тепловые колебания около положений равновесия.
Узлами решётки могут быть атомы, ионы или молекулы. Решётка — модель расположения частиц, а не набор жёстких нарисованных палочек. Геометрия и характер связей определяют многие свойства кристалла. Дефекты структуры могут изменять прочность и электрические свойства материала.
Структура
Повторяющееся расположение частиц
Движение
Колебания около положений равновесия
Связи
Определяют прочность и другие свойства
Кристаллическое состояние сочетает упорядоченность и тепловое движение.
Почему нагрев не означает немедленного разрушения решётки?
До плавления частицы могут колебаться интенсивнее, сохраняя средние положения и дальний порядок.
Направления: анизотропия монокристалла
Монокристалл имеет единую кристаллическую ориентацию. Его свойства могут зависеть от направления: это анизотропия. Например, прочность, теплопроводность или оптические свойства в разных направлениях могут различаться.
Поликристалл состоит из множества зёрен. Если их ориентации случайны, свойства большого образца часто приблизительно изотропны. Ориентированная обработкой структура может нарушить это усреднение.
| Объект | Строение | Свойства |
|---|---|---|
| Монокристалл | Единая ориентация решётки | Возможна анизотропия |
| Поликристалл | Много кристаллических зёрен | Часто изотропен в среднем |
| Текстурированный материал | Зёрна ориентированы преимущественно | Возможна направленность свойств |
Изотропность поликристалла связана с усреднением ориентаций, а не с отсутствием кристаллов.
Почему нельзя назвать любой металл монокристаллом?
Обычная металлическая деталь чаще состоит из множества зёрен, хотя каждое зерно имеет кристаллическое строение.
Кристаллы кварца
Кристаллическая огранка связана с внутренним порядком. Монокристалл может иметь свойства, зависящие от направления.
JJ Harrison (https://www.jjharrison.com.au/) · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Кубики льда
Внешняя форма льдинки не обязана повторять форму кристаллической решётки: образец может состоять из многих зёрен.
בר · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Аморфность: ближний порядок без повторения вдаль
В аморфном твёрдом теле, например обычном стекле, нет дальнего периодического порядка. Ближайшие соседи расположены не совершенно случайно: сохраняется ближний порядок. Аморфные материалы обычно изотропны.
При нагревании стекло постепенно размягчается в диапазоне температур. У чистого кристаллического вещества при заданном давлении плавление происходит при определённой температуре. Смеси, дефекты и условия наблюдения могут усложнять эту картину.
| Признак | Кристалл | Аморфное тело |
|---|---|---|
| Дальний порядок | Есть | Нет |
| Движение частиц | Тепловое, около устойчивых положений | Тепловое, в неупорядоченной структуре |
| Нагрев | Плавление чистого вещества при определённой T | Постепенное размягчение |
Отсутствие дальнего порядка отличает аморфное тело от кристалла.
Доказывает ли отсутствие правильных граней аморфность?
Нет. Кусок металла может быть поликристаллом без видимых граней. Внешняя форма сама по себе не определяет внутреннее строение.
Модель: одинаковая плотность, разный порядок
Переключай решётку, набор зёрен и аморфное расположение. Сравни расположение средних положений и колебания частиц. Регулятор условной интенсивности меняет амплитуду колебаний. Он не задаёт реальную температуру и не моделирует превращение одного материала в другой.
Чтобы классифицировать образец, нужны несколько признаков: структура, зависимость свойств от направления, характер размягчения или плавления. Нельзя считать отсутствие движения на фотографии доказательством неподвижности молекул.
Структура
Есть ли дальний порядок?
Масштаб образца
Одно зерно или много?
Свойства
Зависят ли от направления?
Строение определяют по совокупности признаков и с учётом масштаба наблюдения.
Что на схеме соответствует настоящему кристаллу?
Периодичность средних положений. Цвета, двумерность и видимые размеры частиц условны.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 7. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 07. Строение и свойства твёрдых тел.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.