Сообщение по физике на тему кристаллическое явление и аморфные тела

Ответ на вопрос

Любой человек держал в руках кусок сахара и кусок стекла. Оба твёрдые. Оба могут быть прозрачными. Но ведут они себя по-разному. Сахар-рафинад раскалывается по ровным граням. Стекло при ударе даёт гладкий скол с закруглёнными краями. Дело не в химическом составе. Дело в том, как расположены частицы внутри вещества. Это атомы, ионы или молекулы. По этому признаку физики делят твёрдые тела на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

В кристалле частицы стоят в строгом порядке. Они образуют геометрическую решётку. Этот порядок повторяется в пространстве много раз. Его называют дальним порядком. Если мысленно перенести кусочек кристалла далеко в сторону, картина повторится. Это похоже на узор на обоях. Из-за такого порядка кристаллы растут правильными многогранниками. Примеры: кубики поваренной соли, иглы селитры, снежинки, призмы кварца. Природа собирает их по чертежу. Этот чертёж заложен в самих частицах.

У кристаллов есть анизотропия. Это значит, что свойства зависят от направления. Прочность, теплопроводность, скорость света и сжимаемость могут быть разными в разных направлениях. Можно нагревать кристалл кварца или слюды. Если измерять теплопроводность в разных направлениях, числа будут отличаться. У аморфного тела такой зависимости нет. Оно одинаково во все стороны. Это называют изотропией.

У кристаллов есть определённая температура плавления. У льда это 0 °C. У поваренной соли 801 °C. У свинца 327 °C. Пока весь кристалл не расплавится, температура не меняется. Тепло уходит на разрушение решётки. На графике температуры от времени появляется «полочка». Поэтому чистые кристаллические вещества используют как эталоны в термометрии.

Аморфные тела

В аморфных телах частицы тоже расположены близко. Вещество остаётся плотным и твёрдым. Но строгого дальнего порядка нет. Есть только ближний порядок. У каждой частицы есть соседи. Но уже через несколько молекулярных слоёв закономерность размывается. Такую структуру сравнивают с застывшей жидкостью. Ещё её сравнивают с толпой на площади. Рядом люди стоят упорядоченно. А в целом получается хаос. Примеры: оконное стекло, смола, янтарь, воск, парафин, канифоль, пластмассы, многие полимеры, эбонит. Стекло называют переохлаждённой жидкостью. Оно застыло, не успев выстроиться в решётку.

Из-за отсутствия решётки аморфные тела не имеют своей формы. При расколе они не дают ровных граней. Скол получается раковистым. Они изотропны. У них нет чёткой температуры плавления. При нагревании они постепенно размягчаются. Сначала становятся вязкими. Потом текучими. И только потом превращаются в жидкость. Этот интервал называют интервалом стеклования. Поэтому оконное стекло можно гнуть и выдувать. Оно размягчается плавно. Оно не плавится скачком, как лёд или металл.

Есть популярный миф. Говорят, что стёкла в старых домах стекают вниз. Поэтому внизу они толще, чем вверху. Это неверно. Толщина старинных стёкол неравномерна. Их делали вручную, методом выдувания. Специальные измерения это показали. Были и долгие наблюдения. Были эксперименты с ультрастабильными стёклами. За сотни лет стекло не течёт заметно. Оно ведёт себя как настоящее твёрдое тело. Об этом пишут российские научно-популярные ресурсы. Например, портал «Элементы» и журнал «Химия и жизнь».

Грань между группами не всегда жёсткая. Есть поликристаллы. Они состоят из множества мелких кристалликов. Эти кристаллики срослись между собой. Так устроены почти все металлы и сплавы. Каждый кристаллит имеет свою ориентацию. Вместе они образуют прочное тело. Но такое тело уже изотропно. Есть жидкие кристаллы. Они сохраняют упорядоченность молекул. Но при этом текут, как жидкость. Их используют в дисплеях ноутбуков и телефонов. Есть квазикристаллы. У них есть упорядоченность. Но нет повторяющейся ячейки. За их открытие Дан Шехтман получил Нобелевскую премию по химии в 2011 году.

Русская наука внесла большой вклад в изучение кристаллов. М. В. Ломоносов в XVIII веке писал, что кристаллы растут из растворов и расплавов по определённым законам. В конце XIX века Е. С. Фёдоров доказал математически, что возможны ровно 230 типов кристаллических решёток. Это предсказание подтвердилось. В 1912 году Макс фон Лауэ и его коллеги получили дифракцию рентгеновских лучей на кристалле. Рентгеноструктурный анализ и сегодня главный способ увидеть атомный порядок. Большую роль сыграли работы академика А. В. Шубникова. Он основал советскую кристаллографическую школу. В. И. Вернадский изучал кристаллы как часть живой и неживой природы.

Современные исследования рассказывают о промежуточных формах порядка. Об этом говорят материалы Института кристаллографии РАН и лекции на «ПостНауке». В аморфных телах есть средний порядок. Это касается стёкол и металлических стёкол. Металлические стёкла — это аморфные металлы. Их получают сверхбыстрым охлаждением расплава. Средний порядок тянется дальше двух-трёх соседей. Но он не превращается в полную решётку. Это объясняет многие свойства стёкол. Их прочность, оптические характеристики, устойчивость к старению. Аморфные металлы уже применяют в трансформаторах и магнитных датчиках. Они меньше греются и меньше теряют энергию. Обычные кристаллические сплавы теряют больше.

Вывод

Кристаллические тела отличаются от аморфных строением. У первых частицы образуют строгую повторяющуюся решётку. У вторых порядок есть только на коротких расстояниях. Из этого выходят главные различия. У кристаллов есть правильная форма и анизотропия. У аморфных тел этих свойств нет. Кристаллы плавятся при строго определённой температуре. Аморфные тела размягчаются постепенно, в интервале температур. Химический состав может быть одинаковым. Кварц и стекло — это, по сути, один и тот же оксид кремния. Но кристалл и аморфное тело ведут себя как разные вещества. Понимание этой разницы важно не только для школьного курса физики. Оно нужно и для практики. Оно помогает создавать прочные стёкла, лазерные кристаллы, полупроводниковые чипы из кремния и лёгкие магнитные сплавы нового поколения.