5.Властивості твердих тіл

—Зберігають форму.

—Зберігають об’єм.

Характер молекулярного руху — коливання атомів чи молекул біля положення рівноваги.

5.1. Кристалічні та аморфні тіла. Їхні властивості

Розрізняють кристалічні та аморфні тверді тіла.

У аморфних тіл зберігається ближній порядок у розта-

шуванні атомів, але відсутній дальній. Звідси випливають

властивості аморфних тіл:

1.Вони не мають температури плавлення, оскільки­ немає кристалічної ґратки. При нагріванні вони розм’як­ шуються.

2.Вони ізотропні: їхні фізичні властивості однакові в усіх напрямках.

До аморфних тіл належать смола, скло, пластмаси. Кристали — це тверді тіла, атоми й молекули яких

займають певне, упорядковане положення в просторі. Наслідком упорядкованого розміщення атомів у кристалі

є геометрична правильність його внутрішньої будови.

Властивості кристалів:

1.Анізотропія фізичних властивостей (їх залежність від вибраного в кристалі напряму).

2.Наявність температури плавлення. Кристаліч­ ­не тіло, досягаючи температури плавлення, починає плавитись. Уся енергія, що підводиться до тіла, витрачається на збільшення потенціальної енергії взаємодії молекул при

руйнуванні кристалічних ґраток, а кінетична енергія молекул стабільна, тому температура тіла при плавленні не змінюється.

3.Властивості кристала зумовлюються не лише тим, із яких атомів він складається, але й видом кристалічних ґраток. Наприклад, з тих самих атомів вуглецю складаються алмаз (145, а) і графіт (рис. 145, б), але фізичні властивості у них різні.

175

Молекулярна фізика

Вузол кристалічної ґратки — точка, відносно якої атом

(молекула) здійснює коливання.

5.2. Типи твердих кристалів

Залежно від виду частинок, які розміщені у вузлах кристалічних ґраток, і характеру сил взаємодії між ними, тверді кристали поділяються на чотири типи:

1.Іонні кристали: у вузлах ґраток розміщуються почергово іони з протилежними зарядами, наприклад NaCl (рис. 147, а).

2.Атомні (ковалентні) кристали: у вузлах ґраток — нейтральні­ атоми, які утримуються ковалентними зв’язками квантово-механічного походження (у сусідніх атомів узагальнені валентні електрони). Таку будову має, наприклад, кристалічна ґратка алмазу

(рис. 145, а).

176

5. Властивості твердих тіл

Рис. 147

3.Металічні кристали: у вузлах ґраток розташовуються позитивні іони, а в міжвузлах — електронний газ (узагальнені електрони) (рис. 147, б). Таку будову мають метали з доброю електропровідністю.

4.Молекулярні кристали: у вузлах ґраток розміщуються нейтральні молекули, сили взаємодії між якими зумов-

лені зміщенням електронних оболонок атомів. Ці сили називають вандерваальсовими. Молекулярні кристали — Br2, CH4, парафін.

5.3. Рідкі кристали

Рідкі кристали — речовини в стані, проміжному між твердим кристалічним та ізотропним рідким. Зберігаючи основні особливості рідини, наприклад плинність, вони мають характерну властивість твердих кристалів — анізотропію фізичних властивостей.

5.4. Дефекти кристалічних ґраток

Дефекти кристалічних ґраток — відхилення від упо-

рядкованого розташування частинок у вузлах ґратки кри­ стала:

1.Точкові дефекти: вакансії, міжвузлові атоми, домішані атоми тощо.

2.Лінійні дефекти: дислокації (крайові, гвинтові, змішані та ін.).

3.Двомірні дефекти: межі зерен у полікристалах, міжфазні межі в багатофазних сплавах тощо.

177

Молекулярна фізика

4.Тримірні дефекти: пори, тріщини, макроскопічні включення та ін.

5.5. Механічні властивості твердих тіл

Див. розділ «Механіка», п.2.2.2.

5.5.1. Діаграма розтягу твердих тіл

Діаграма показана на рис. 148.

Ділянка OA: при малих деформаціях напруга σ прямо пропорційна відносному подовженню ε. Виконується закон

ція пружна. Максимальна напруга, при якій ще не виникає

помітна­ залишкова деформація, називається межею пруж-

ності σпруж .

Ділянка BC: пластична деформація.

Ділянка CD: ділянка плинності­ матеріалу. Видов­ ­ження відбувається практично­ без збільшення навантаження.

Ділянка DE: зміцнення матеріалу: видовження відбувається при значному збіль-

шенні навантаження.

При досягненні макси-

мального значення механічної напруги σм. м (межа міцнос-

ті) матеріал розтягується без

5.5.2. Запас міцності. Пружність і пластичність

Запас міцності n дорівнює відношенню межі міцності до допустимої механічної напруги σдоп :

n = σм. м .

σдоп

Матеріали, у яких незначні навантаження викликають пластичну деформацію, називають пластичними (напри-

клад свинець, смола).

178