Кристаллическое состояние

• Твёрдое тело — это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов,плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия Твердые тела (кристаллы) характеризу­ются наличием значительных сил межмо­лекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но и форму. Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая, является результатом упо­рядоченного расположения частиц (ато­мов, молекул, ионов), составляющих кристалл.

• Структура, для которой харак­терно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы, а точнее — точки, относительно которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической ре­шетки.

• Монокристаллы — твер­дые тела, частицы которых образуют еди­ную кристаллическую решетку. Кристал­лическая структура монокристаллов обна­руживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них оста­ются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М. В. Ломоно­совым. Пра­вильная форма кристаллов связана с за­кономерным размещением частиц, образу­ющих кристалл. Монокристаллами явля­ются большинство минералов. Большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества бес­порядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые те­ла называются поликристаллами

• В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

• Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион - шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле

• Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе 4 . В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. 

• Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных) , называются молекулярными. Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.

• Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решетки и не могут ее покинуть.

• Дефект кристаллической решетки - отклонение кристаллической решетки от ее идеального периодического строения. 

• Вакансия - в кристаллах - отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки. Вакансии находятся в термодинамическом равновесии с кристаллической решеткой, они возникают и исчезают в результате теплового движения атомов. 

• Примесный атом замещения— замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.

• Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии

• Два простейших типа линейных собственных дефектов - это краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация может быть представлена как обрыв атомной плоскости (рис.4 а). Линия дислокации перпендикулярна плоскости чертежа. Винтовая дислокация в кристалле определяется как сдвиг одной части кристалла относительно другой так, что линия дислокации оказывается параллельна вектору сдвига, который называется вектором Бюргерса. Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, можно представить себе состоящим не из параллельных атомных плоскостей, а как бы из одной атомной плоскости, закрученной как винтовая лестница. Ось этого винта и есть линия винтовой дислокации (рис.4 б).

•  

• Краевая и винтовая дислокации в кристаллах

• 

• Теплоёмкость тела— физическая величина, определяющая отношение бесконечно малогоколичества теплоты δQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры δT

• Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Количество вещества может быть измерено в килограммах, кубических метрах и молях. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

• Массовая теплоёмкость (С), также называемая просто удельной теплоёмкостью — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. (Дж·кг⁻¹·К⁻¹).

• Объёмная теплоёмкость (С′) — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. (Дж·м⁻³·К⁻¹).

• Молярная теплоёмкость (С_μ) — это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. (Дж/(моль·К))

• Закон Дюлонга—Пти (Закон постоянства теплоёмкости) — эмпирический закон, согласно которомумолярная теплоёмкостьтвёрдых тел при комнатной температуре близка к 3R^[1]:

• 

• Закон выводится в предположении, что кристаллическая решетка тела состоит из атомов, каждый из которых совершает гармонические колебанияв трех направлениях, определяемыми структурой решетки, причем колебания по различным направлениям абсолютно независимы друг от друга

• Формула вытекает из теоремы о равнораспределении энергиипо степеням свободы. Так как каждый осциллятор имеет однустепень свободы, то его средняякинетическая энергияравна, а так как колебания происходят гармонически, то средняя потенциальная энергияравна средней кинетической, а полная энергия — соответственно их сумме. Число осцилляторов в одном моле вещества составляет, их суммарная энергия численно равна теплоемкости тела — отсюда и вытекает закон Дюлонга-Пти.

• Жи́дкие криста́ллы — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие измолекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы:нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы