Структура чврстих тела
Не улазећи дубље у структуру материје, обично се чврсто тело описује као стање у коме тело има одређени облик и запремину. Овакав опис није довољан. Код неких супстанци молекули су правилно распоређени, док код неких нису. У зависности од структуре и основних особина, чврста тела могу бити кристална и аморфна.
Пример:
кристали – дијамант, графит, рубин, соли, шећер, лед, метали
аморфне супстанце – стакло, пластика, восак, смола, асфалт
Код кристалних тела честице (атоми, молекули, јони) поређане су једне поред других тако да граде правилну геометријску структуру – правилан распоред честица. Без обзира у ком смеру се посматра распоред честица, он се увек понавља на исти начин. Распоред честица се периодично понавља у простору. Честице су везане за своје равнотежне полажаје, а њихово топлотно кретање је осцилаторно кретање око равнотежних положаја. Кристали имају тачно одређену температуру топљења.
Аморфна тела немају кристалну структуру. Код аморфних тела распоред честица није правилан. По својој структури слични су течностима. Разликују се од течности само по мањим међумолекулским растојањима између молекула, а због тога већим међумолекулским силама. За аморфна тела можемо да кажемо да су то прехлађене течности. Аморфна тела немају одређену температуру топљења, при загревању омекшају и постепено прелазе у течност. При преласку из чврстог у течно стање положаји честица се практично не мењају, већ се само повећава њихово међусобно растојање.
Пример: Разлика између кристалних и аморфних материјала је у начину топљења.
Ако посматрамо комад леда, као пример кристалног тела, па га непрекидно загревамо – када се његова температура повећа на 00C, тада отпочиње топљење и можемо уочити да температура више не расте иако лед непрекидно загревамо. Температура ће поново почети да расте тек када се сав лед истопи. На овај начин је тачка топљења леда строго одређена, па лако може да се мери. Ово је особина свих кристалних материјала. Температура леда док се топи не расте због тога што количина топлоте коју он прима у том периоду не иде на повећање његове унутрашње енергије тј. температуре, већ на разграђивање његове кристалне решетке.
Ако посматрамо топљење неког аморфног материјала – рецимо једног комада пластике. Пластику загревамо под истим условима. Температура пластике непрекидно расте, а пре преласка у течност пластика ће проћи кроз размекшано стање. Због непрекидног пораста температуре, као и због различитог степена размекшаности, практично је немогуће одредити тачку топљења аморфног материјала.
Правилан геометријски облик је једна од основних особина кристала. Поред тога, још једна од битних особина кристала је анизотропија – физичке особине нису исте у свим правцима. Сва аморфна тела су изотропна.
Пример:
У једном правцу или смеру кристал може да буде добар проводник, а у другом не. Сличних појава има и у погледу термичке проводности и неких оптичких и мехничких својстава. Нека кристална супстанца може бити анизотропна у погледу једног физичког својства, а изотропна у погледу другог.
Код кристалних супстанци честице имају одређен положај у кристалима. Равнотежни положаји молекула се представљају као тачке које се називају чворови. Ове тачке одговарају најстабилнијим положајима честица у решетки. Везе између молекула (међумолекулске силе) приказане су дужима које повезују чворове. На тај начин се у простору добија правилна тродимензионална решетка – кристална решетка.
Основни градивни елемент кристалне решетке представља елементарна ћелија. Елементарна ћелија је најмањи део кристалне решетке који одражава структуру целог кристала. Слагањем елементарних ћелија, дуж сваке од три димензија простора добија се кристална решетка.
Неке суспстанце могу да се појаве у два или више кристална облика. Та појава је названа полиморфизам. Различити облици настају због различитог распореда честица.
Пример: Кристалне форме угљеника – дијамант и графит (може и чађ):
- дијамант – изузетно чврст, прозрачан и електрични изолатор
- графит – мекан, апсорбује светлост и проводи електричну струју
Врсте кристала:
- монокристал – кристал који има правилан облик (честице су распоређене правилно по читавој запремини кристала) и одликује се анизотропијом
- поликристал – изграђени од великог броја ситних монокристала, одликују се изотропијом
Потпуно правилну кристалну решетку имају само идеални кристали. Код реалних кристала постоје различита одступања од идеалне структуре. У неким чворовима могу да су нађу честице других супстанци. Оне нарушавају правилан распоред. Присуство примеса у кристалној решетки назива се дефект кристалне решетке.
| Топлотно ширење чврстих тела и течности | Еластичност чврстих тела |