Краткая теория строение твердых тел.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

Цель: в данной работе следует рассчитать коэффициенты линейного удлинения металлических стержней в интервале температур между комнатной и температурой кипения 100⁰С.

Приборы: металлические стержни, линейка, пробирки, прибор для определения абсолютного удлинения.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующиеся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы характеризуются пространственней периодичностью в расположении атомов (дальний порядок).

Дальний и ближний порядок – упорядоченность в расположении структурных частиц вещества (атомов, молекул ионов). Упорядоченность на расстояниях сравнимых с межатомными, называется ближним порядком, а упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, дальним порядкам. В идеальном газе нет никакой закономерности во взаимном расположении атомов: положение любого атома не зависит от положения остальных атомов, т.е. нет ни ближнего, ни дальнего порядков.

В жидкостях и аморфных твердых телах существует только ближний, т.е. некоторая закономерность в расположении соседних атомов. На больших расстояниях порядок "размывается" и переходит в "беспорядок". В кристаллах правильное чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг от друга повторяется на сколь угодно отдаленных атомах, т.е. существует дальний и ближний порядок. Основным признаком дальнего порядка является симметрия кристаллов. Наличие дальнего и ближнего порядков обусловлено взаимодействием между частицами. Равновесному состоянию любой системы частиц при абсолютном нуле температур соответствует минимум ее потенциальной энергии, так как энергия взаимодействия зависит от расстояния между ними и их взаимного расстояния, то при частицы образуют правильную кристаллическую решетку, (за исключением атомов гелия), период которой равен 3.

Большинство твердых тел, в том числе и металлы, существуют в виде поликристаллов, т.е. имеют микрокристаллическую структуру. Поликристаллы состоят из большого числа сросшихся мелких, хаотически расположенных отдельных кристаллов, которые называются кристаллами. Взаимное расположение и ориентация отдельных кристаллов хаотичнее и поэтому поликристаллы являются изотропными.

Металлы являются поликристаллами. Тип кристаллической решетки у металлов и соответственно тип кристалла называется металлическим. Во всех узлах металлического кристалла расположены ионы металла. Между ними беспорядочно движутся электроны, которые отщепились от атомов при образовании ионов. Эти свободные электроны, т.к. называемый "электронный газ" удерживают вместе положительные ионы. Свойства металлов, электропроводность, обусловлены наличием свободных, коллективных электронов.

Аморфное состояние - твердое состояние вещества, характеризующееся изотропией свойств и отсутствием точки плавления (изотропность - одинаковость свойств по различным направлениям). При повышении температуры аморфное вещество размягчается и переходит в жидкое состояние постепенно.

Это обусловлено отсутствием у вещества в аморфном состоянии строгой периодичности присущей к кристаллам. В природе аморфное состояние менее распространено, чем кристаллическое. Аморфными веществами являются неорганические стекла, плавленый кварц, каучук, резина, смолы. Значит, кристаллы твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной структурой и имеющие естественную форму правильных симметрических многогранников. (см.А.К. Кикоин, И.К. Кикоин, Молекулярная физика, стр.402-412).

Кристаллические тела бывают анизотропны, т.е. физические свойства (упругость, теплопроводность, электропроводность и др.) по различным направлениям неодинаковы. Для твердых тел выделяются основные типы связи:

1.Металлическая связь - ионы, которые находятся в узлах кристаллической решетки, взаимодействуют со свободными электронами, Этой связью характеризуются металлы.

2. В твердых телах с ионной связью основные силы притяжения, действующие между ионами - электростатические ( соли).

3. Молекулярная связь осуществляется обобществленными электронами или атомами между соседними атомами. Этой связью характеризуется алмаз, кремний, германий и.т.д.