Кристалічний та аморфний стан речовини

 

Відомо, що є три агрегатні стани речовини: газ, рідина і тверде тіло. Тверді тіла, які є предметом нашого розгляду, можуть знаходитись у кристалічному або аморфному стані. Належність речовини до кожного з станів визначається взаємним розташуванням атомів у речовині.

У кристалічній речовині атоми розташовані впорядковано. Певний структурний елемент стало повторюється, утворюючи кристалічну структуру. Щоб просуватись далі у вивченні елементів кристалографії, введемо ще деякі поняття.

Розглянемо ідеальний кристал. Атомна структура називається ідеальним кристалом, якщо в ній є три некомпланарних вектори , і при зсуві на кожний з яких вона не змінюється, тобто інваріантна. Нагадаю, що некомпланарними називають вектори, що не лежать в одній площині. Їх розташовують так, щоб вони утворювали праву трійку векторів. Зсув на кожний з таких векторів називається трансляцією. Об’єм паралелепіпеда, побудованого на цих векторах, буде дорівнювати мішаному добутку базових векторів, який можна записати по-різному

.

Якщо вектори , і вибрані таким чином, що об’єм паралелепіпеда W має мінімально можливезначення, то ці вектори називають трансляційними або основними векторами трансляції, а побудований на них паралелепіпед - елементарною коміркою кристала.

Якщо відомі основні вектори трансляції, можна знайти сукупність точок

,

де довільна точка, а довільні цілі числа (додатні, від’ємні та нуль). Ця сукупність точок при довільних значеннях утворює кристалічну гратку, а самі точки мають назву вузлів кристалічної ґратки. Кристалічна гратка є результатом усіх можливих трансляцій елементарної комірки.

Сама по собі кристалічна гратка є математичною абстракцією. Кристалічна структура утворюється лише тоді, коли з кожним вузлом ґратки однаковим чином пов’язаний певний базис. Базисом може бути довільна сукупність атомів чи молекул, але завжди однакова біля кожного вузла. Це добре можна проілюструвати на одновимірній гратці. Отже, можна записати

.

Тепер перейдемо до аморфних тіл. Головна особливість внутрішньої будови тіл, що знаходяться у аморфному стані, - відсутність так званого дальнього порядку, тобто характерної для кристалів повторюваності одного й того ж елементу структури. В той же час у аморфних речовин існує так званий ближній порядок, тобто деяка узгодженість у розташуванні у просторі сусідніх частинок. Із збільшенням відстані від вибраного атома така узгодженість зникає.

Такі особливості розташування атомів зумовлюють фізичні властивості як кристалів, так і аморфних тіл.

1) По-перше, кристалічні тіла анізотропні, чого повністю позбавлені аморфні тіла. Анізотропія – це залежність фізичних властивостей від напрямку. Але слід зауважити, що анізотропію властивостей можна експериментально зафіксувати лише на дуже досконалих монокристалах. Найчастіше досліджуються полікристалічні речовини, де окремі монокристали розташовані в просторі хаотично. Тому хоч кожний монокристал є анізотропним, полікристал буде ізотропним.

2) Кристали мають правильну геометричну форму. У всіх кристалах даної речовини за однакових умов кути між відповідними гранями кристалів однакові. Це закон сталості кутів кристалу, встановлений Стеноном у 1669 році на основі спостережень над багатогранними кристалами у природі. Ми можемо виростити кристал і великого розміру, і малого тієї ж самої величини. Але кути між однаковими гранями не зміняться.

3) Кристали розколюються вздовж певних площин.

4) Кристали, на відміну від аморфних тіл, мають фіксовану температуру плавлення.

І, найголовніше, кристали мають стійку симетрію. Якщо від монокристала відбити шматок і помістити у речовину, з якої він був вирощений, відбита частина буде відновлена.

І тепер перейдемо до вивчення елементів симетрії кристалу.