Тверде тіло: відмінності між версіями
[перевірена версія] | [неперевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
Оновлені тексти розділів 1— 4 і частково 5 , Джерела, вилучені тексти: теплоємність, температуропровідність ( не є властивостями, а є фізичними величинами) , правопис, категоризація |
|||
Рядок 1:
[[Файл:Fcc_lattice_4.jpg|thumb|Модель будови кристалічного твердого тіла]]
'''Тверде́ ті́ло''' ({{lang-en|solid}}) — одно з чотирьох основних [[агрегатний стан речовини|агрегатних станів речовини]], що відрізняється від інших агрегатних станів ([[Рідина|рідини]],[[газ]]ів, [[Плазма|плазми]])) стабільністю форми і характером теплового руху атомів, що здійснюють малі коливання біля положень рівноваги. <ref name="rosnano">{{cite web|url=http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1779|title=Твёрдое тело|author=Стрелецкий Алексей Владимирович, Наймушина Дарья Анатольевна|publisher=[[Роснано]]|accessdate=2012-03-08|archiveurl=https://www.webcitation.org/684lnIMzp?url=http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1779|archivedate=2012-05-31|deadlink=no}}</ref>.
== Загальний опис ==
{{Photomontage
| photo1a = Silica.svg
| photo1b = SiO<sub>2</sub> Quartz.svg
| text = Розташування атомів у аморфному [[скло|склі]] і кристалічному [[кварц]]і
| position = right
| size = 500
| color = #FFFFFF }}
За типом упорядкування атомів розрізняють [[ кристал | кристалічний]] і аморфний стани речовини.
Кристали характеризуються просторової періодичністю в розташуванні рівноважних положень атомів. <ref name = "rosnano" /> У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки [[ближній порядок|ближній]], а й [[дальній порядок]]. Природна форма кристалів ─ правильні [[багатогранник]]и. <ref name="БСЭ">{{БСЭ3|заглавие=Твёрдое тело}}</ref>
Більшисть речовин у твердому стані має кристалічну структуру. В цьому легко переконатися якщо розколоти шматок речовини і розглянути злам.
На зламі кристалічних речовин (наприклад, у цукру, солі, сірки, металів) добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відбиття ними світла.
При розколюванні аморфних твердих речовин, наприклад, звичайного скла,[[Пластмаси|пластмаси]], шматків смоли, парафіну, і так далі, злам виявляється гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями. {{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=162—-163}}
== Класифікація кристалічних тіл ==
За типом часток, що знаходяться у вузлах кристалічної ґрати, і за типом їх взаємодії, що переважають в цьому кристалі, розрізняють ґрати:
• Молекулярні
• Атомні
• Іонні
• Металеві
• Водневі
У молекулярних кристалах молекули пов'язані між собою молекулярними силами. В атомних кристалах атоми речовини пов'язані один з одним ковалентним зв'язком. У вузлах іонних ґрат по черзі розташовуються позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння. У вузлах металевих ґрат розташовуються атоми металу, в проміжках між якими рухаються загальні для цих атомів електрони. Нарешті, кристали з водневим зв'язком характеризуються поділом ядер між електронегативними атомами. {{sfn| Даниэльс Ф., Олберти Р.|1978| c=586}} Водневі зв'язки зустрічаються в багатьох органічних і неорганічних сполуках, вони входять в структуру льоду і води. {{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=155-157}}{{sfn|Коровин и др. |1990| c=66—69}} Приклади водневих кристалів: H<sub>2</sub>O (лід), HF.
За типом [[Зонна теорія|зонної структури]]тверді кристалічні тіла класифікують на провідники, [[напівпровідник]]и і [[діелектрик]]и.
• Провідники ─ зона провідності і валентна зона перекриваються, таким чином електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію. Таким чином, при додатку до твердого тіла різниці потенціалів, електрони зможуть вільно рухатися з точки з меншим потенціалом в точку з більшим, утворюючи електричний струм. До провідників відносять усі метали.
• Напівпровідники ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає менше 4 еВ. Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати енергію меншу, ніж для діелектрика, тому чисті (власні, нелеговані) напівпровідники слабо пропускають струм.
• Діелектрики ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає більше 4 еВ. Таким чином, для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати значну енергію, тому діелектрики струм практично не проводять.
За магнітними властивостями тверді тіла діляться на [[діамагнетики]], [[парамагнетики]] і тіла з впорядкованою магнітною структурою. <ref name="rosnano"/> Діамагнітні властивості, які слабо залежать від агрегатного стану або температури, зазвичай перекриваються парамагнітними, які є наслідком орієнтації магнітних моментів атомів і електронів провідності. За законом Кюрі парамагнітна сприйнятливість убуває обернено пропорційно до температури і при температурі 300 К зазвичай складає 10<sup>− 5</sup>кг. Парамагнетики переходять в [[феромагнетики]], [[ антиферомагнетики]] або [[феримагнетики]] при пониженні температури<ref name="БСЭ"/>.
== Історична довідка ==
Рядок 39 ⟶ 48:
* [[закон Відемана — Франца]] (1853) та ін.
Уже
Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії, було сформоване [[Огюст Браве|Огюстом Браве]] у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах [[Ніколас Стено|Ніколасом Стено]] (1669), [[Рене-Жюст Аюї|Рене-
У 1912 році [[Макс фон Лауе|М. Лауе]] спостерігав [[дифракція|дифракцію]] [[Рентгенівське проміння|рентгенівських променів]] на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році [[Вільям Генрі Брегг| В. Брегг]] встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. [[Бреггівська дифракція|закон Брегга]]). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурному аналізу]] та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році [[Клінтон Джозеф Девіссон|К. Дж. Девіссон]] спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.
== [[Фазові переходи]] ==
[[Файл: Phase-diag ru.svg | thumb | 300px | [[фазова діаграма]] води.< br /> плавленню (і кристалізації) відповідає гілка лівіше і вище [[потрійна точка | потрійної точки]], сублімації — гілка лівіше і нижче потрійної точки. Зелена пунктирна лінія показує [[потрійна точка води | аномальну поведінку води]].]]
При підвищенні температури тверді тіла переходять в рідкий або газовий стан. Перехід твердого тіла в рідкий стан називається [[плавлення]]м, а перехід в газовий стан, минаючи рідкий, - сублімацією. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у кристалічній решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву [[кристалізація]], до аморфної фази — склування.
Існують також фазові переходи між твердотільними фазами, при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи впорядкованою при зниженні температури.
При [[атмосферний тиск | атмосферному тиску]] і температурі Т → 0 К всі речовини в природі тверднуть. Виняток становить [[гелій]], для кристалізації якого потрібний тиск 24 атм <ref name="БСЭ"/>.
Різниця між кристалічним і аморфним станами речовини особливо різко проявляється в їх відношенні до нагрівання. При постійному тиску і рівномірному нагріванні температура тіла зростає пропорційно кількості підведенної теплоти. При досягненні температури плавлення (кристалізації) температура тіла, перестає змінюватися, не дивлячись на те, що підведення теплоти до тіла триває. Одночасно починається процес плавлення. Після того, як вся речовина перетвориться в рідину, його температура знову почне зростати.
Плавлення аморфних тіл протікає інакше. При рівномірному нагріванні температура тіла безперервно зростає. Перехід в рідкий стан у аморфних тіл відбувається в інтервалі температур. {{sfn| Савельев И.В. |1970| с=494—495}}
В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розташованих точок<ref name="rosnano"/>, у них відсутній дальній порядок, але є ближній порядок, при якому молекули розташовані узгоджено на відстані, порівнянному з їх розмірами, зберігається. Окремим випадком аморфного стану є склоподібний стан.<ref name="БСЭ"/> Згідно з класичними уявленнями, стійким станом (з мінімумом [[потенційна енергія|потенційної енергії]]) твердого тіла є кристалічний. Аморфне тіло знаходиться в [[метастабільний стан | метастабільному стані]] і з плином часу має перейти в кристалічний стан, проте час кристалізації часто настільки великий, що метастабільність зовсім не проявляється. Зворотний мимовільний процес неможливий. Аморфне тіло можна розглядати як рідину з дуже великою (часто нескінченно великою) [[в'язкість|в'язкістю]].<ref name="БСЭ"/> Цей висновок підтверджує той факт, що багато аморфних тіл текучі. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, в теплому приміщенні, за кілька тижнів розтікається, приймаючи форму диска.
{{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=163}}
== Фізичні властивості ==
Під [[фізичні властивості|фізичними властивостями]] твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних [[сила|сил]] і [[Поле (фізика)|полів]]. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам передачі [[енергія|енергії]]: [[робота|роботи]] ─ передача впорядкованої) форми руху матерії (механічний рух), [[термодинаміка|теплообмін]]─ передача невпорядкованої (хаотичної) форми руху матерії і передача енергії за допомогою [[електромагнетизм| електромагнітних]] хвиль.
Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей:
1. Механичні
2. Теплові
3. Електромагнитні
[[Механічні властивості матеріалу|Механічні властивості]] зв'язують [[Напруження|механічні напруження]] і [[деформація|деформації]] тіла, які можна поділити на [[пружність|пружні]], [[міцність|міцнісні]], [[реологія|реологічні]] й [[технологічні властивості матеріалів|технологічні]]. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх [[гідравліка|гідравлічні]] і [[газодинаміка|газодинамічні]] властивості.
Рядок 63 ⟶ 84:
=== Механічні властивості ===
{{Main|Механічні властивості матеріалу}}
Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні [[деформація|деформуватися]] під впливом [[Зовнішня сила|зовнішніх сил]]. [[Деформація|Деформацією]] твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.
Рядок 73 ⟶ 95:
До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити [[звук]], який є [[хвиля|хвилею]], що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише [[поздовжня хвиля|поздовжні звукові хвилі]], а й [[Поперечна хвиля|поперечні]], що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. [[Швидкість звуку]] в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується [[анізотропія|анізотропією]], тобто залежністю від напрямку поширення.
=== Теплові властивості ===
====
Найважливійшою тепловою властивістю твердих тіл є їх здатність при підвіщенні температури до фазових переходів, таких як плавлення (перехід у рідкий стан) і, для деяких речовин (лід, йод, тверда вуглекислота, тощо), —[[сублімація]] (безпосередній перехід у газовий стан). Фізична величина, що характерізує плавлення кристалічних тіл є [[температура плавлення]]. Іншою важливою характеристикою плавлення є [[теплота плавлення]] або прихована теплота плавлення. Оборотний процес плавленню має назву [[кристалізація]], а сублімації ─ [[десублімація]] Температура і теплота кристалізаціі дорівнюють, відповідно, температурі і теплоті плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану з підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують [[температура склування|температурою склування]], тобто температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.
==== Властивість теплового розширення ====
Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується [[коефіцієнт теплового розширення|коефіцієнтом теплового розширення]]. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.
Рядок 96 ⟶ 122:
Для ізотропних матеріалів, ''коефіцієнт лінійного теплового розширення'' становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.
: <math>\alpha_V \approx 3\alpha_L</math>
Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи
====
Явище теплопровідності полягає в тому, що [[кінетична енергія]] [[атом]]ів й [[молекула|молекул]], яка визначає [[температура|температуру]] тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.
Рядок 116 ⟶ 136:
{{Main|Теплопровідність}}
=== Електричні, магнітні та оптичні властивості ===
Однією з головних електричних властивостей твердих тіл є електропровідність. (Оборотна властивість є електричний опір).
В залежності від величини [[питомий опір|питомого опору]] тверді тіла поділяються на [[провідник]]и та [[діелектрики]], проміжне положення між якими займають [[напівпровідник]]и. Напівпровідники мають малу [[електропровідність]], однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою [[електронна структура|електронною структурою]]. Для діелектриків властива щілина в [[енергетичний спектр|енергетичному спектрі]] [[електрон]]ів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають [[заборонена зона|забороненою зоною]]. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки [[принцип Паулі|принципу Паулі]] електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від [[Легуюча домішка|домішок]] — [[акцептор електрона|акцепторів]] та [[донор електрона|донорів]].
Рядок 134 ⟶ 147:
Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну [[Вектор поляризації|поляризацію]] — [[піроелектрики]]. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються [[сегнетоелектрики|сегнетоелектриками]]. Для [[п'єзоелектрики|п'єзоелектриків]] характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.
За магнітними властивостями тверді тіла діляться на два класи: слабомагнітні і сильномагнітні. До слабомагнітним відносяться діамагнетики і парамагнетики, до сильномагнітним — феромагнетики.
[[Феромагнетики|Феромагнетикам]] властиве існування внутрішнього магнітного поля, яке в багато разів перевищує зовнішнє поле, що стало "поштовхом" для його наведення. {{sfn| Селезнёв Ю.А. |1969| с=352 — 353}}
[[Оптика|Оптичні]] властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий [[Коефіцієнт відбиття (оптика)|коефіцієнт відбиття]] світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, [[скло]]. Часто [[колір]] того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна [[фотопровідність]] — збільшення електропровідності при освітленні.
Рядок 176 ⟶ 190:
== Джерела ==
* {{книга | автор = Глинка Н.Л. | назва= Общая химия | том= | видання = 30 | видавництво =Интеграл- Пресс | місце =М. | рік =2003 | сторінок =728 | isbn = 5-89602-017-1| ref =Глинка Н.Л. }}
*{{книга | автор = Даниэльс Ф., Олберти Р. | назва = Физическая химия |том= | видання =|видавництво =Мир | місце =М. | рік = 1978 | сторінок = 648 | isbn = | ref = Даниэльс Ф., Олберти Р.}}
* {{книга | автор = Коровин и др. | назва = Курс общей химии |том= |видання =2 | видавництво =«Высшая школа» | місце =М. | рік =1990 | сторінок =446 | isbn =5-06-000-663-8 | ref = Коровин и др. }}
* {{книга | автор = Савельев И.В. | назва = Курс физики | том= 1 | видання = | видавництво = «Наука» | місце =М. | рік =1970 | сторінок = 496 | isbn =5-02-014052-x:5-02-014430-4 | ref = Савельев И.В. }}
* {{книга | автор = Селезнёв Ю.А. | назва = Основы элементарной физики | том= | видання =3 |видавництво = «Наука» | місце =М. | рік =1969 | сторінок = 496| isbn = | ref = Селезнёв Ю.А.}}
[[Категорія:
[[Категорія:Агрегатні стани]]
|