79395

Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решёток. Жидкие кристаллы

Конспект урока

Педагогика и дидактика

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса аморфные и кристаллические тела. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично образуя лишь небольшие локальные группы содержащие несколько частиц ближний порядок.

Русский

2015-02-11

177.63 KB

10 чел.

Урок №2/62

Тема №31: «Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решёток. Жидкие кристаллы.»

1 Кристаллические и аморфные тела.

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела. Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, то есть независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок).

Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

Исследования показали, что структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего. В аморфных и жидких телах наблюдается ближний порядок в упаковке частиц (атомов или молекул). По этой причине принято считать аморфные тела очень густыми, вязкими (застывшими) жидкостями.

При внешних воздействиях аморфные вещества обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно кристаллическим твердым веществам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые вещества и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии (например растяжении) аморфные вещества текут. В этом можно убедиться в домашних условиях, если запастись терпением. Например, аморфным веществом также является смола (или гудронбитум). Если раздробить её на мелкие части и получившейся массой заполнить сосуд, то через некоторое время смола сольётся в единое целое и примет форму сосуда.

Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

На рисунке 9 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла — аморфного тела (б).

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества.

Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 3.6.1). Такие кристаллы называются ионными.

1

Рисунок 3.6.1. Кристаллическая решетка поваренной соли.

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям. Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами. В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, исландский шпат (рис. 3), топаз (рис. 4).

Рис. 3

Рис. 4

Примерами поликристаллов являются: каменная соль (рис. 5), кварц (рис. 6), сахар, лед, железо, медь.

Рис. 5

Рис. 6

Упорядоченность в строении кристалла приводит к анизотропии, т.е. зависимости физических свойств от выбранного направления. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям.

Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны.

Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления tплне изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рис. 8, кривая 1).

Рис. 8

Зная температуру плавления и температуру тела, всегда можно определить в каком агрегатном состоянии будет находиться кристаллическое тело: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.  Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

2 Типы кристаллических решёток

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах. На рис. 3.6.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

Рис. 3.6.2. Простые кристаллические решётки: 1 – простая кубическая решётка; 2 – гранецентрированная кубическая решётка; 3 – объёмноцентрированная кубическая   

решетка; 4 – гексагональная решетка.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решеткечастицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na+ и Cl–. В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки. Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность.

Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рис. 3.6.3). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

3 Жидкие кристаллы

 Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой 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.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические, а в последнее время выделяют также дискотические фазы.

Смектические (от греч. смегма — мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла — анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Второй тип термотропных жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. нема — нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо осаждаются на стенки сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее, они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают «муаровую» текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы — это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают оригинальными оптическими свойствами. Обычный свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он приобретает яркую окраску.

Дискотические жидкие кристаллы, открытые Чандрасекаром (США) и др., являются системой жидких столбиков, образующих двумерную решетку.

Три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

      Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

      С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72005. Узагальнення навичок розв’язувати приклади в межах 10. Задачі на знаходження суми 41.5 KB
  Мета: узагальнювати вміння учнів розв’язувати приклади в межах 10, порівнювати число і вираз, знаходити невідомий доданок, зменшуване, від’ємник; розв’язувати задачі на знаходження суми, порівнювати числа та вираз, визначати одиниці виміру рідини, довжини, маси...
72006. Составление и решение выражений на сложение 122.5 KB
  Цель: закрепить умение составлять и вычислять выражения на сложение; упражнять в написании цифр, счете в пределах 9, сравнении чисел, распознавании многоугольников; развивать наблюдательность, зри тельную память, сообразительность, формировать познавательный интерес...
72007. Прибавление числа 9 с переходом через десяток 85.5 KB
  Цель. Познакомить с прибавлением числа 9 с переходом через десяток; продолжать формировать вычислительные навыки; повторить решение задач на нахождение уменьшаемого; повторить геометрические фигуры, правила дорожного движения; развивать логическое мышление; прививать любовь к математике.
72008. Вправи і задачі на застосування таблиць додавання і віднімання числа 1. Вимірювання довжин відрізків. Повторення складу чисел 9 і 10 50 KB
  Доброго дня діти Я прийшов запросити Вас на Новорічне свято яке відбудеться в нашому лісі Чаклунка: Свята не буде Ніколи твоя ялинка не засяє Хіба виконаєш всі мої завдання за 35 хвилин тут же без підготовки. дає завдання Зайчикові Заєць: Що робити...
72009. Число і цифра 9. Порівняння у межах 9. Складання прикладів на додавання. Вимірювання довжин відрізків. Написання цифри 9 91.5 KB
  Мета. Ознайомити учнів з цифрою 9. Пояснити утворення числа 9 додаванням одиниці до попереднього числа. Вчити писати цифру 9. Розвивати образне і логічне мислення, пам’ять, увагу, набувати обчислювальних навичок письма. Виховувати інтерес до математики.
72010. ВПРАВИ НА ЗАСВОЄННЯ ТАБЛИЦЬ ДОДАВАННЯ І ВІДНІМАННЯ ЧИСЛА 4. ЗАДАЧІ НА ЗНАХОДЖЕННЯ СУМИ І ОСТАЧІ. КРУГОВІ ПРИКЛАДИ 36 KB
  Ми з вами вирушаємо у космічну подорож у якій впоратись з певними труднощами нам допоможе дружба з такою необхідною наукою, як математика. А ще вашими вірними друзями мають стати: уважність, кмітливість, швидкість мислення і вибір точних і правильних дій, винахідливість, взаємодопомога.
72011. Порівняння чисел 36.5 KB
  Чого більше на малюнку квадратів чи кругів Скільки квадратів Кругів Як дізнатися на скільки кругів більше ніж квадратів скласти пари Скільки кругів залишилося без пари Значить на скільки кругів більше ніж квадратів на 3 На скільки менше квадратів ніж кругів на 3...
72012. Дія додавання. Ознайомлення із термінами «додавання», «сума» 37 KB
  Відрізки ламаної лінії це Частина прямої лінії яка тільки з одного боку обмежена точкою Частина прямої лінії яка з двох боків обмежена точками Трикутник має три сторони Замкнена ламана лінія що складається з чотирьох ланок Чотирикутники: квадрат Геометрична фігура яка не має кутів вершин сторін...