Kako su čestice u krutim tvarima: kristalna struktura, fizička svojstva

Kako su čestice u krutinama? Takva pitanja ne posjećuju samo fizičari teoretičari i učenici. Malo dijete, kada počinje istraživati ​​svijet oko sebe, shvaća da su okolni objekti različiti samo po izgledu, ali i u dodiru. Što odgovoriti na takvu radoznalost?

Povijest

Pitanje kako su čestice raspoređene u čvrstim tvarima zauzimaju umovi znanstvenika od sedamnaestog stoljeća. Sve je počelo s činjenicom da je izvedeno nekoliko empirijskih zakona koji opisuju učinak na čvrsta tijela temperature, mehaničku energiju, svjetlo i elektromagnetske valove, itd. To uključuje:

• Ohmov zakon;
• Hookeov zakon;
• Dulongov zakon;
• Franzov zakon i drugi.

U devetnaestom stoljeću formulirana je teorija elastičnosti u kojoj su se čvrsta tijela najprije smatrala kontinuiranim medijem. Koncept kristalne strukture tijela formulira Auguste Brava. On je, pak, bio inspiriran djelima Hauya, Newtona, Bernoullija i Cauchyja.

opis

Da bismo razumjeli kako se čestice nalaze u čvrstim tvarima, potrebno je imati ideju o tome agregatna stanja tvari. Oni mogu biti u kristalnom i amorfnom stanju.

Kristale karakterizira ravnomjerna raspodjela atoma, što se postiže zbog ravnoteže između molekula i njihovog raspoređivanja u rešetku. U svom prirodnom obliku, kristali su poliedri.

Amorfne krutine su skupina proizvoljno raspoređenih molekula koje su čvrsto povezane. Kristalna rešetka u takvim je tijelima odsutan, ali na malim udaljenostima čestice još uvijek zadržavaju neku urednost. Kao primjer možete nazvati staklasto stanje. U teoriji, svako amorfno tijelo mora ići u kristalni oblik, ali to traje beskrajno mnogo vremena. S druge strane, takvo tijelo se može nazvati fluidom koji ima višu viskoznost.

klasifikacija

Ovisno o tome kako se čestice nalaze u krutim tvarima, njihova fizikalna i kemijska svojstva ovise. Na raspored atoma izravno utječe vrsta veze između čestica:

• ion;
• kovalentna;
• metal;
• molekularni;
• vodik.

Sve krutine mogu se podijeliti na one koje uvijek provode struju, i ravnodušne su prema njoj. Također postoje i oni koji provode struju samo pod određenim uvjetima.

1. Vodiči. Elektroni se slobodno kreću kroz kristalnu rešetku formirajući struju. To uključuje metale.
2. Poluvodiča. Da bi se elektron kretao između atoma tvari, potrebna je određena količina energije, stoga struja kroz takve materijale prolazi teško.
3. Dielektrika. Za pomicanje elektrona potrebna je velika količina slobodne energije, stoga su takve tvari nepropusne za električnu struju, na primjer, gumu ili drvo.

Fizička svojstva

Fizika čvrstog stanja ovisi o simetriji rasporeda njegovih atoma i percipira se kao reakcija na djelovanje određenih sila i polja. Postoje tri glavne vrste izloženosti:

• mehanički;
• toplinsko;
• elektromagnetski.

Struktura čvrstih tijela određuje njihova mehanička svojstva: stres i deformacije. Sve krutine mogu se podijeliti na elastične, trajne, tehnološke i reološke. Pod utjecajem tekućina i plinova mogu također imati hidraulička i plinsko-dinamička svojstva.

Interakcija čestica u krutim tvarima može se promijeniti pod utjecajem visokih ili niskih temperatura, zračenja, elektromagnetski valovi i druge struje čestica.

Mehanička svojstva

Struktura krutih tijela je takva da, dok je u mirovanju, dobro održavaju svoj oblik, ali ga mogu mijenjati, podložno utjecaju vanjske sile. Sve ovisi o tome koliko je sila primijenjena na objekt.

Deformacija može biti elastična ako se tijelo vraća u svoj prvobitni oblik nakon prestanka sile. Plastika , kada vanjska sila dugo vremena utječe na elastično tijelo i mijenja svoj oblik. Razorna deformacija nastaje kada primijenjeni udar prelazi granica čvrstoće objekt. Na njemu se pojavljuju pukotine i smetnje.

Toplinska svojstva

Čestice čvrstog materijala, kao što su tekućine i plinovi, pod utjecajem temperatura mogu ubrzati ili usporiti svoje kretanje, jer unatoč vanjskoj invarijantnosti oblika, atomi još uvijek osciliraju u svojim položajima u kristalnoj rešetki.

Jedno od najvažnijih praktičnih svojstava krutina je točka taljenja, to jest, trenutak prijelaza u drugo agregatno stanje. U većini slučajeva zagrijavanje krutog materijala dovodi do njegovog širenja, a hlađenje - do kompresije. Stoga je vrlo važno za inženjere da znaju ove karakteristike za svaki materijal koji se koristi u građevinarstvu. Budući da neoznačeno smanjenje čak djelića milimetra može dovesti do katastrofalnih posljedica.

Magnetska i električna svojstva

Fizika čvrstog stanja obuhvaća prijenos kroz njega usmjerene struje elektrona i magnetskih valova. Kao što je već gore navedeno, svi su materijali podijeljeni na dirigente, poluvodiče i dielektrike, ali postoje i uži pojmovi.

1. Superionici su kristali čiji su atomi vezani ionske veze. Mogu pomicati različite skupine iona.
2. Supravodiči su krute tvari koje provode električnu struju bez energije (tj. Bez otpora).
3. Pyroelectrics su materijali koji imaju spontanu sposobnost za provođenje električne energije.
4. Ferromagneti su tijela u kojima postoji spontani magnetizam.

Boja krutine određena je kojim dijelom vidljivog spektra materijal apsorbira, koji se lomi, a dio zraka reflektira. Provodnici često imaju visok indeks loma i refleksije, a dielektrici mogu biti prozirni. Poluvodiči su sposobniji provoditi struju kada ih svjetlost pogodi.