Все твердые тела разделяются на два типа: кристаллические и аморфные. Основными признаками кристаллического состояния вещества являются: стабильность геометрической формы; наличие анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления; а также скачкообразное изменение физических характеристик при определенных температурах.
Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. К числу твердых тел, обладающих изотропными свойствами, относятся аморфные тела, такие как стекло, смолы, битумы, полимеры. Аморфное тело представляет как бы жидкость очень большой вязкости или переохлажденную жидкость.
Правильность геометрической формы и анизотропия кристаллов обычно не проявляются по той причина, что кристаллические тела встречаются, как правило, в виде поликристаллов, т. е. конгломератов множества сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. В поликристаллах анизотропия наблюдается только в пределах каждого отдельно взятого кристаллика, тело же в целом вследствие беспорядочной ориентации кристалликов анизотропии не обнаруживает.
|
|
Периодическое пространственное расположение одинаковых групп атомов (частиц) называется кристаллической решеткой.
В зависимости от природы частиц, помещающихся в узлах кристаллической решетки, и от их характера сил взаимодействия между частицами различаются четыре типа кристаллических решеток и соответственно четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические и молекулярные. В ионных кристаллах узлы решетки заполнены ионами разных знаков, связь между которыми обусловлена электростатическим силами притяжения. Типичным представителем ионной решетки является решетка каменной соли NaCl.
Атомные кристаллы в узлах кристаллической решетки имеют нейтральные атомы. Связь, объединяющая в кристалле нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и графит.
Во всех узлах кристаллической решетки металлических кристаллов расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов.
В узлах кристаллической решетки молекулярных кристаллов помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи ван-дер-ваальсовские. Примером молекулярных кристаллов являются обычный лед (Н2О) и сухой лед или твердая углекислота (СО2).
Дефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение заключается в отсутствии атома в узле решетки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого) в межузельное пространство. Подобные дефекты называются точечными. Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстоянии порядка нескольких периодов.
|
|
Кроме точечных существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями. Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей. Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая. Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность. Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводят к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. В результате прочность материала растет.
Важным свойством твердых тел является упругость, проявляющаяся при деформации этих тел внешними силами. Основные виды деформации: продольное (линейное) и всестороннее (объемное) растяжение и сжатие, сдвиг и кручение. Если при устранении внешних сил деформированное тело в точности возвращается к первоначальной форме и размерам, то деформация называется упругой, а само тело – упругим телом.