Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
Н/м = 4,05 •1O-2 Н/м.
Ah =
4-22.10-3 / I^
м = 16,8- Ю~3 м.
8¦1O2.9,8 ^0,4.10-»
Ю-»
7.1. типы кристаллических твердых тел 167
Глава 7
ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ИХ ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЖИДКОСТИ *)
7.1. Типы кристаллических твердых тел
Г. Кристаллические твердые тела обладают анизотропией — зависимостью физических свойств от направления внутри кристалла. Так, тепловое расширение кристаллов (11.7.3.1°), механическая прочность (11.7.2.9°), оптические свойства (скорость распространения света, показатель преломления (V.l.2.1°)) зависят от направления внутри кристалла.
2°. Различаются следующие четыре типа кристаллических решеток:
а) Ионные кристаллы — большинство неорганических соединений, например соли (NaCl и др.), окиси металлов и т. д. В узлах кристаллических решеток ионных кристаллов размещаются правильно чередующиеся положительные и отрицательные ионы (см. рис. 11.1.4, а), между которыми действуют главным образом силы электростатического взаимодействия, осуществляющие ионную (гетерополярную) связь (VI.3.2.1°). В процессе кристаллизации (11.7.4.6°) одни атомы (например, Na) теряют электроны, которые присоединяются к другим атомам (например, Cl), и возникают два противоположно заряженных иона.
б) Атомные (валентные) кристаллы — кристаллические решетки полупроводников (Те, Ge) и др. (III.3.11.Г), многие органические твердые тела. Типичными примерами таких кристаллов являются разновидности углерода — алмаз и графит (см. рис. II. 1.4, б). В узлах кристаллических решеток атомных кристаллов находятся электрически нейтральные атомы, чаще всего одинаковые, между которыми осуществляется особая ковалентная (гомеополярная) связь (VI.3.3.10), имеющая квантовомеханическое происхождение.
в) Молекулярные кристаллы — Br2, 12, CH4, нафталин, парафин, многие твердые органические соединения. В узлах кристаллических решеток таких кристаллов находятся молекулы, сохранившие свою индивидуальность. Между этими молекулами действуют силы притяжения, характер-
*) Сведения о строении кристаллических твердых тел и тепловом движении в кристаллах см. 11.1.6.3°—6°,
168 ОТДЕЛ II. ГЛ. 7. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ИХ ПРЕВРАЩЕНИЯ
ные для взаимодействия молекул (11.1.4.3°). Относительно малая устойчивость молекулярных кристаллов, низкие температуры плавления объясняются тем, что силы притяжения между их молекулами меньше, чем у кристаллов других типов.
г) Металлические кристаллы (металлы). При кристаллизации (11.7.4.6°) металлов происходит отщепление от атомов внешних (валентных) электронов (VI.2.9.2°) и образуются положительные ионы. Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Внешние (валентные) электроны становятся коллективизированными (обобществленными) — они принадлежат всему кристаллу в целом, образуя электронный газ в металлах.
Металлическая связь в кристаллической решетке металлов обеспечивается притяжением между положительно заряженными ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, и отрицательно заряженным электронным газом. Коллективизированные электроны металлов как бы «стягивают» положительные ионы, уравновешивая отталкивание между ними. При расстояниях между ионами, равных периоду кристаллической решетки (11.1.6.5°), возникает устойчивая конфигурация ионов, соответствующая условию равенства сил, стягивающих ионы, и сил их взаимного отталкивания. Наличием электронного газа объясняется хорошая электропроводность и теплопроводность металлов.
7.2. Упругие свойства твердых тел
1°. Деформацией твердого тела называется изменение его размеров и объема, которое сопровождается обычно изменением формы тела*). Деформации происходят при нагревании (охлаждении) твердых тел или под действием внешних сил. При деформациях частицы, расположенные в узлах кристаллической решетки, смещаются из своих равновесных положений. Этому смещению препятствуют силы взаимодействия между частицами твердого тела. В деформированном твердом теле возникают внутренние упругие силы.
2°. Упругостью называется свойство тел восстанавливать свои размеры, форму и объем после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.
*) Исключение составляет всестороннее растяжение (сжатие), при котором форма тела сохраняется неизменной.
7.2. упругие свойства твердых тел
169
Силой упругости Fynp (упругой силой) называется сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону, противоположную направлению смещения частиц тела при деформации (о силе упругости см. также 1.2.9.Г).
3°. Деформации, которые исчезают после того, как действие внешних сил прекращается, называются упругими. При этом частицы твердого тела, сместившиеся в процессе деформации (п. Г), возвращаются в свои исходные положения равновесия и восстанавливаются первоначальные размеры и объем тела. Так, упруго деформированная пружина после снятия нагрузки восстанавливает свою первоначальную длину, объем и форму. Упругая деформация прекращается при условии Fynv=F, где F и .Fynp — модули внешней силы, вызывающей деформацию, и силы упругости .
Неупругие деформации твердого тела не исчезают после прекращения действия вызвавших их сил и приводят к необратимым изменениям в кристаллической решетке твердого тела. Такие деформации называются пластическими. Пластические деформации характеризуются возникновением остаточных деформаций, которые сохраняются в теле после прекращения действия сил.
