III. ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

Тела, которые в обыденной жизни называют твердыми, отличаются от жидкостей отсутствием способности течь. Не обладая текучестью, твердые тела сохраняют неизменной свою форму. Жидкости же и газы принимают форму сосуда, в котором они находятся. Как мы увидим в дальнейшем, с молекулярной точки зрения приведенное выше определение неточно.

Разнообразные твердые тела, с которыми человеку приходится иметь дело в своей практической деятельности, можно разделить на две группы, существенно различающиеся по своим свойствам. Одну группу образуют тела кристаллические, другую — аморфные.

Одной из основных особенностей кристаллических тел является анизотропия, т. е. зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Если исследовать такие характеристики физических свойств тела, как показатель преломления световых лучей, коэффициент теплопроводности, модуль упругости и т. п., то окажется, что в кристалле в зависимости от направления эти величины могут иметь разное значение. Иными словами, в различных направлениях кристалл обладает различной теплопроводностью, различной упругостью, различной способностью преломлять световые лучи.

Анизотропия — характерная особенность кристаллов. Аморфные тела не обладают анизотропией. Если исследовать различные физические свойства стекла, которое является типичным представителем аморфного тела, то окажется, что во всех направлениях его свойства одинаковы.

Независимость физических свойств тела от направления называют изотропностью. Аморфные тела изотропны. Изотропность аморфных твердых тел является проявлением сходства их молекулярной структуры с молекулярной структурой жидкостей. Можно считать, что твердые аморфные тела — это жидкости,

вязкость которых при понижении температуры настолько возросла, что они потеряли способность течь, сохранив при этом молекулярную структуру, характерную для жидкости.

Следует указать на то, что подавляющее большинство материалов, используемых человеком в его практической деятельности, изотропны. Это и понятно, поскольку, как правило, практическое использование анизотропных материалов затруднительно. В то же время большая часть материалов, применяемых в технике и строительном деле, таких, например, как железо, медь, цинк, гранит и т. д., является кристаллическими, а следовательно, анизотропными веществами. Использование этих материалов возможно тем не менее в силу того, что анизотропия характерна только для отдельных больших кристаллов, так называемых монокристаллов. Технические же материалы представляют собой тела, образованные соединенными вместе маленькими кристалликами. Такие тела называют поликристаллическими. Чем меньше кристаллики, образующие поликристаллическое тело, тем более оно однородно и одновременно более изотропно. В тех случаях, когда необходима высокая изотропность материала, он должен быть возможно более мелкокристаллическим.

Бывают, однако, случаи, когда желательно получить отдельный монокристалл больших размеров. Для этой цели разработаны специальные методы выращивания больших кристаллов, позволяющие получать монокристаллы с линейными размерами в десятки сантиметров.

Многие тела (сера, глицерин, сахар и т. п.) могут существовать как в кристаллической, так и в аморфной, или, как часто говорят, в стеклообразной, форме.

Если расплавленную и нагретую до температуры около 350° серу быстро охладить, вылив ее в холодную воду, она превращается не в обычную кристаллическую серу, а в аморфную пластическую. Свойства аморфной серы не похожи на свойства серы кристаллической. Кристаллическая сера хрупка, аморфная же пластическая сера легко изменяет свою форму при сравнительно небольшом давлении, напоминая в этом отношении пластилин.

Как правило, аморфная форма твердого тела менее устойчива, чем кристаллическая. Аморфные тела самопроизвольно, хотя и очень медленно, превращаются в кристаллические. В случае стекла этот процесс сопровождается появлением микроскопических трещин и называется расстекловыванием.

Следует, однако, отметить, что процесс кристаллизации аморфного тела может протекать столь медленно, что аморфное состояние будет практически полностью устойчиво. Так, например, янтарь, являющийся аморфным телом, так же как и другие ископаемые смолы, образовался десятки миллионов лет назад, однако в нем не обнаруживается никаких признаков кристаллизации, и он может рассматриваться как полностью устойчивое аморфное вещество.

Различие между аморфными и кристаллическими телами проявляется при переходе их в жидкое состояние, т. е. при плавлении. Для уяснения этого различия проделаем следующий опыт: будем нагревать мелко измельченное твердое тело и наблюдать происходящие при этом изменения температуры, отмечая через определенные промежутки времени показания прибора, измеряющего температуру, и откладывая эти величины в качестве ординат на графике (рис. 67), на котором вдоль оси абсцисс отложено время нагрева Если соединить между собой найденные таким образом точки, то в случае кристаллического тела возникнет кривая, изображенная на графике сплошной линией.

Рис. 67. Плавление твердого кристаллического тела и аморфного тела.

Первоначально нагрев твердого тела сопровождается повышением его температуры, возрастающей приблизительно прямо пропорционально времени нагрева (отрезок При достижении температуры плавления дальнейший рост температуры прекращается, несмотря на нагревание тела (отрезок Подводимое тепло в этом случае расходуется на плавление кристалла (теплота плавления). После того как все твердое тело расплавится (точка С), температура при дальнейшем подводе теплоты начинает вновь возрастать (отрезок

Иная картина наблюдается при нагревании аморфного твердого тела. В этом случае отсутствует резко выраженная температура плавления. На соответствующей кривой (пунктирная кривая на рис. 67) наблюдается только изменение скорости возрастания температуры. В некотором, не резко ограниченном интервале температур, соответствующем области размягчения аморфного тела, скорость возрастания температуры уменьшается. Вязкость аморфного твердого тела в области размягчения падает и тело превращается из твердого в жидкое.

Кроме указанных выше особенностей, кристаллы отличаются от аморфных тел наличием правильной формы. Иногда правильная форма кристаллического тела бывает искажена особыми условиями роста кристаллов или же механической обработкой. Однако наличие правильной формы кристаллов у кристаллических твердых тел всегда можно установить по характеру их излома. Излом кристаллического тела имеет шероховатую поверхность, образованную кристалликами правильной формы больших или меньших размеров. Излом же аморфного тела имеет гладкую поверхность с характерными острыми краями, хорошо знакомыми по излому стекла.

Внешняя форма отдельных кристалликов может сильно изменяться в зависимости от условий роста кристалла. Последнее особенно бросается в глаза при рассматривании причудливых форм снежинок.

Для учения о кристаллах чрезвычайно важно то, что вне зависимости от внешней формы кристалла углы между его гранями имеют всегда постоянную, определенную для данного типа кристалла величину. В тех случаях, когда рост кристалла не искажен какими-либо внешними причинами, его форма определяется принципом минимума свободной поверхностной энергии. При этом следует помнить, что различные грани кристалла характеризуются различной поверхностной энергией, и при росте кристалла грани с малой поверхностной энергией получают наибольшее развитие. В целом же равновесная форма кристалла такова, что его суммарная поверхностная энергия минимальна.