Глава IX. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

§ 87. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В физике к твердым телам относят тела, имеющие кристаллическое строение. Аморфные (некристаллические) тела — стекло, смолы, вар, пластмассы и т. п. — рассматривают как переохлажденные жидкости, в которых с понижением температуры вязкость настолько возрастает, что тела теряют способность течь при сохранении

молекулярной структуры, характерной для жидкостей (недостаточная подвижность препятствует упорядоченному расположению частиц).

Жидкости и аморфные тела изотропны — их физические свойства одинаковы по всем направлениям. Главная особенность кристаллов заключается в их анизотропии — в зависимости свойств от направлений, по которым эти свойства исследуются. Анизотропия сказывается в том, например, что такие характеристики твердых тел, как электропроводность, теплопроводность, модуль упругости, показатель преломления света, могут принимать разные значения по различным направлениям.

У многих кристаллических тел, например у металлов, анизотропия не всегда ярко выражена. При внимательном рассмотрении оказывается, что такие тела состоят из множества мелких кристаллов (кристаллитов или зерен), расположенных хаотично. Такие тела в отличие от монокристаллов называют поликристаллами. У поликристаллов на изломе наблюдается шероховатая поверхность, образованная множеством выступающих зерен. Изломы же аморфных тел имеют вид гладких изогнутых поверхностей, часто близких к зеркальным (излом стекла, вара).

Воск и парафин внешне по своей структуре кажутся одинаковыми. Но в действительности воск аморфен, парафин же имеет поликристаллическую структуру. В этом легко убедиться, сравнив поверхности их изломов.

Различие между аморфными и кристаллическими телами проявляется также при их переходах в жидкое состояние (при плавлении). Чистое кристаллическое вещество в отличие от аморфного имеет определенную точку плавления. Это видно из графиков зависимости температуры нагрева от времени изображенных на рисунке 9.1. Первоначально нагрев твердого тела сопровождается повышением его температуры (отрезок АВ). При достижении температуры плавления Гплдальнейший рост температуры прекращается, несмотря на подвод теплоты (отрезок ВС), сообщаемая телу теплота расходуется на плавление кристалла. После расплавления тела (точка С) дальнейший подвод теплоты вызывает увеличение температуры расплава (отрезок CD).

При переходе аморфного тела в жидкое состояние отсутствует резко выраженная температура плавления (рис. 9.1, пунктирная

Рис. 7.1.

кривая). На соответствующей кривой наблюдается только изменение скорости возрастания температуры (тело размягчается). Вязкость аморфного вещества в области размягчения падает, в результате происходит превращение твердого аморфного тела в жидкость.

Некоторые вещества (сера, сахар, кварц и др.) могут существовать как в кристаллической, так и в аморфной (стеклообразной) форме. Если расплавленную серу вылить в холодную воду, то она вследствие быстрого охлаждения превращается не в кристаллическую, а в аморфную пластическую серу (атомы не успевают образовать правильную решетку, характерную для кристаллической серы). Кристаллическая сера хрупкая, аморфная легко изменяет свою форму (подобно пластилину). В некоторых случаях через длительное время удается наблюдать самопроизвольное превращение аморфных тел в кристаллические («засахаривание» леденцов, кристаллизация и помутнение стекла).

Кроме указанных выше особенностей, кристаллы отличаются от аморфных тел наличием правильной формы. Размер и совершенство форм кристалла зависят главным образом от скорости их образования. Чем медленнее скорость кристаллизации, тем совершеннее форма кристалла, так как частицы вещества, образующие кристалл, имеют достаточно времени, чтобы найти места в кристаллической решетке, соответствующие минимуму потенциальной энергии тела. Внешняя форма кристалла сильно зависит от условий его образования. При этом оказывается, что независимо от условий образования углы между гранями кристалла данного вещества или минерала будут вполне определенными.

В кристаллических телах частицы, определяющие их структуру, расположены упорядоченно, в характерном для каждого вещества порядке, который в монокристалле простирается на весь объем тела (дальний порядок).