W jaki sposób cząstki w ciałach stałych: struktura krystaliczna, właściwości fizyczne

Jak są cząstki w ciałach stałych? Takie pytania odwiedzają nie tylko fizycy teoretyczni i uczniowie. Małe dziecko, gdy zaczyna poznawać otaczający go świat, zdaje sobie sprawę, że otaczające go przedmioty mają nie tylko odmienny wygląd, ale także dotyk. Co odpowiedzieć na taki dociekliwy fidget?

Historia

Pytanie, w jaki sposób cząstki są ułożone w bryły, zajmują umysły naukowców od XVII wieku. Wszystko zaczęło się od faktu, że wyprowadzono kilka praw empirycznych opisujących wpływ na ciała stałe temperatury, energii mechanicznej, fal świetlnych i elektromagnetycznych itp. Obejmują one:

• Prawo Ohma;
• Prawo Hooke'a;
• Prawo Dulonga;
• Prawo Franza i innych.

W XIX wieku sformułowano teorię elastyczności, w której ciała stałe najpierw uznano za medium ciągłe. Pojęcie krystalicznej struktury ciał sformułował Auguste Brava. On z kolei zainspirowany był twórczością Hauy, Newtona, Bernoulliego i Cauchy'ego.

Opis

Aby zrozumieć, w jaki sposób cząsteczki znajdują się w ciałach stałych, trzeba mieć pomysł stany agregacyjne substancji. Mogą być w stanie krystalicznym i amorficznym.

Kryształy charakteryzują się równomiernym rozkładem atomów, co osiąga się dzięki równowadze między cząsteczkami i ich uporządkowaniu w sieć. W swojej naturalnej postaci kryształy są wielościanami.

Bezpostaciowe ciała stałe to grupa dowolnie ułożonych molekuł, mocno ze sobą połączonych. Kryształowa krata w takich ciałach jest nieobecny, ale w niewielkich odległościach cząsteczki nadal zachowują pewną uporządkowaną postać. Jako przykład możesz nazwać stan szklisty. Teoretycznie każde amorficzne ciało musi przejść w formę krystaliczną, ale zajmuje nieskończenie dużo czasu. Z drugiej strony taki korpus można nazwać płynem o wyższej lepkości.

Klasyfikacja

W zależności od tego, w jaki sposób cząsteczki znajdują się w ciałach stałych, ich właściwości fizyczne i chemiczne zależą. A na układ atomów bezpośrednio wpływa rodzaj wiązania między cząstkami:

• jonowe;
• kowalencyjne;
• metal;
• cząsteczkowy;
• wodór.

Wszystkie ciała stałe można podzielić na te, które zawsze przewodzą elektryczność i są dla niej obojętne. A także są tacy, którzy prowadzą prąd tylko pod pewnymi warunkami.

1. Przewodniki. Elektrony poruszają się swobodnie w sieci krystalicznej, tworząc prąd. Należą do nich metale.
2. Półprzewodniki. Aby elektron poruszał się pomiędzy atomami substancji, wymagana jest pewna ilość energii, dlatego prąd płynący przez takie materiały przechodzi z trudnością.
3. Dielektryków. Aby przenieść elektron, potrzebna jest duża ilość darmowej energii, dlatego takie substancje są nieprzepuszczalne dla prądu elektrycznego, na przykład gumy lub drewna.

Właściwości fizyczne

Fizyka ciała stałego zależy od symetrii układu atomów i jest postrzegana jako reakcja na działanie pewnych sił i pól. Istnieją trzy główne rodzaje ekspozycji:

• mechaniczne;
• termiczne;
• elektromagnetyczny.

Struktura brył decyduje o ich właściwościach mechanicznych: jest naprężeniem i deformacją. Wszystkie ciała stałe można podzielić na elastyczne, trwałe, technologiczne i reologiczne. Pod wpływem cieczy i gazów mogą również wykazywać właściwości hydrauliczne i dynamiczne.

Oddziaływanie cząstek w ciałach stałych może się zmienić pod wpływem wysokich lub niskich temperatur, promieniowania, fale elektromagnetyczne i inne strumienie cząstek.

Właściwości mechaniczne

Struktura ciał stałych jest taka, że ​​będąc w spoczynku, dobrze zachowują swój kształt, ale mogą go zmieniać, pod wpływem siły zewnętrznej. Wszystko zależy od tego, jak duża siła przyłożona jest do obiektu.

Odkształcenie może być elastyczne, jeśli ciało powróci do swojego pierwotnego kształtu po ustaniu siły. Plastik , gdy siła zewnętrzna przez długi czas wpływa na elastyczne ciało i zmienia jego kształt. Destructive deformation występuje, gdy zastosowane uderzenie przekracza limit siły obiekt. Pojawiają się na nim pęknięcia i usterki.

Właściwości termiczne

Cząstki ciała stałego, takie jak ciecze i gazy, pod wpływem temperatury mogą przyspieszyć lub spowolnić ich ruch, ponieważ pomimo zewnętrznej niezmienności formy atomy wciąż oscylują w swoich położeniach w sieci krystalicznej.

Jedną z najważniejszych praktycznych właściwości ciał stałych jest temperatura topnienia, czyli moment przejścia do innego stanu skupienia. W większości przypadków ogrzewanie ciała stałego prowadzi do jego rozprężenia i chłodzenia - do kompresji. Dlatego bardzo ważne jest, aby inżynierowie znali te właściwości dla każdego materiału używanego w budownictwie. Ponieważ nieokreślona redukcja nawet o ułamek milimetra może prowadzić do katastrofalnych konsekwencji.

Właściwości magnetyczne i elektryczne

Fizyka ciała stałego obejmuje transmisję przez nią ukierunkowanego strumienia elektronów i fal magnetycznych. Jak już zostało to napisane powyżej, wszystkie materiały są podzielone na przewodniki, półprzewodniki i dielektryki, ale są też węższe pojęcia.

1. Superionika to kryształy, których atomy są związane wiązanie jonowe. Mogą przenosić różne grupy jonów.
2. Nadprzewodniki są ciałami stałymi, które przewodzą prąd elektryczny bez energii (czyli bez oporu).
3. Piroelektryki są materiałami, które mają spontaniczną zdolność przewodzenia energii elektrycznej.
4. Ferromageny są ciałami, w których istnieje spontaniczny magnetyzm.

Barwa ciała stałego jest określana na podstawie tego, jaką część widzialnego spektrum absorbuje materiał, który załamuje się, a część promieni odbija. Przewodniki mają często wysoki współczynnik załamania i odbicie, a dielektryki mogą być przezroczyste. Półprzewodniki mają większą zdolność przewodzenia prądu, gdy światło uderza w nie.