Рассмотрение свойств твердых тел в средней школе должно вестись на классической основе с использованием доступных для учащихся сведений об атомно-молекулярном строении твердых тел и о взаимодействии частиц, составляющих эти тела. При изучении темы у школьников должны быть сформированы четкие представления о плотной упаковке частиц, пространственных решетках, понятие о дальнем порядке, о деформациях и т. д.
Обычно вещество называют твердым, если оно сохраняет свою форму и объем. Твердые тела встречаются в природе двух видов: кристаллические (монокристаллические и поликристаллические) и аморфные.
Многие твердые тела в природе имеют гладкие плоские поверхности, расположенные под определенными углами, а иногда и форму правильных многоугольников. Такие твердые тела называют монокристаллами (от греческого “моно” – один). Чаще всего монокристаллы имеют очень маленькие размеры, хотя, например, монокристаллы горного хрусталя иногда бывают величиной с человеческий рост.
У кристаллов каждого вида вещества углы между гранями имеют определенную величину. Измерив эти углы у одного кристалла, мы убеждаемся, что у всех других кристаллов этого же вещества такие же углы, хотя по внешнему виду могут оказаться различными. Рассматривая несколько кристаллов одного и того же вещества, например, кварца учащиеся убеждаются, что все образцы представляют собой идеально правильные фигуры, но все они похожи чем-то друг на друга. У разных кристаллов одного и того же вещества углы между сходственными гранями одинаковы. Это так называемый закон постоянства углов. Одним из ученых, открывших этот закон, был М. В. Ломоносов.
Рис.1. Кристаллы имеют определенные двугранные углы.
Таким путем можно безошибочно узнавать, какому виду вещества принадлежат те или иные кристаллы. Этот метод определения вида вещества был разработан Е. С. Федоровым – основоположником науки о кристаллах. Он вместе со своими учениками написал книгу “Царство кристаллов”. Симметрия является одним из важных и характерных свойств кристаллов. По меткому выражению Е.С.Федорова кристаллы “блещут своей симметрией”. Интересно отметить, что некоторые кристаллы встречаются в природе в виде двух различных форм или двух антиподов – правого и левого (рис. 2).
Рис. 2. Правый и левый кристаллы кварца.
Примерами могут служить кристаллы сахара, винной кислоты, кварца. Как бы мы ни поворачивали в пространстве два кристалла кварца, они не могут совпасть, как не могут совпасть правая и левая перчатки. Эти кристаллы асимметричны. Все физические свойства асимметричных кристаллов совершенно тождественны. Исключение составляют их оптические свойства, т.е. они обладают способностью поворачивать плоскость поляризации света.
Основной отправной пункт в нашем изложении свойств твердых тел – межмолекулярное (межатомное) взаимодействие. С рассмотрения его мы и начинаем изучение материала.
Сила взаимодействия между двумя молекулами изменяется с расстоянием весьма сложно. Это утверждение требует разъяснений.
Необходимо подчеркнуть учащимся, что силы притяжения и отталкивания действуют одновременно, но на расстояниях порядка размеров нескольких молекул преобладают силы притяжения, а на очень малых расстояниях, когда начинают перекрываться электронные оболочки, преобладают силы отталкивания. Тут уместно использовать модельные опыты с шариками, скрепленными между собой пружинами.
На примере двух молекул выясняем, что молекулярные силы взаимодействия между ними имеют электрическое происхождение. Действительно, атомы и молекулы представляют собой сложные системы электрических зарядов, находящихся в движении. Основная масса и весь положительный заряд молекул сосредоточены в атомных ядрах, имеющих линейные размеры порядка 10-14/ 10-15 м. Вокруг ядер вращаются электроны по определенным устойчивым орбитам. Вся совокупность этих электронов рассматривается как электронная оболочка, линейные размеры которой порядка 10-10 м (диаметр электронной оболочки d). Заряд атомных ядер скомпенсирован зарядом электронной оболочки, поэтому молекула (атом) в целом электрически нейтральна и в результате электрическое поле за её пределами отсутствует уже на расстоянии двух-трех диаметров ее электронной оболочки.
Поэтому, когда расстояние между центрами молекул велико по сравнению с их диаметрами d, силы взаимодействия пренебрежимо малы. При сближении же молекул на расстояние порядка двух-трех диаметров постепенно начинают проявляться силы взаимодействия электрических ядер и электронных оболочек молекул, что приводит к некоторой деформации обеих взаимодействующих молекул. Таким образом, молекулы можно рассматривать как взаимодействующие диполи, между которыми возникают силы притяжения.
Мгновенное распределение зарядов, вызванное притяжением разноименных и отталкиванием одноименных зарядов с некоторым упрощением, представлено на рисунке 3, а. Сближение молекул приводит к увеличению силы притяжения между ними. Это будет продолжаться до тех пор, пока молекулы подойдут “вплотную” своими электронными оболочками и дальнейшее сближение станет невозможным. Между электронными оболочками возникнут силы отталкивания, которые будут очень резко возрастать по мере “перекрывания” оболочек (рис. 3, б).
Рис. 3. Направление сил взаимодействия молекул.
График зависимости сил взаимодействия двух молекул от расстояния между ними следует представить как изменение результирующей этих двух сил. (Полезно отметить, что нахождение равнодействующей возможно лишь для случая двух молекул, поскольку для большего числа молекул не существует метода точного вычисления такой равнодействующей.)
Предположим, что мы имеем молекулы 1 и 2 (рис. 4). Будем считать первую неподвижной и находящейся в начале системы координат F, r, а вторую – изменяющей свое положение относительно первой. Изображая графически зависимость сил взаимодействия этих молекул, мы принимаем, что силы притяжения отрицательны (на рисунке штрихпунктирная кривая), силы отталкивания – положительны (пунктирная кривая). Сплошная кривая и есть график результирующей этих сил.
Рис. 4. Кривая результирующих сил.
Пользуясь рисунком 4, Расстояние r0 (примерно равное
диаметру молекулы) отвечает состоянию равновесия дух частиц: силы притяжения
уравновешены силами отталкивания. Зависимость сил притяжения и сил отталкивания
от расстояния различна. При уменьшении расстояния между молекулами силы
притяжения возрастают медленнее, чем силы отталкивания, а при увеличении
расстояния – наоборот. Величина молекулярных сил не зависит от общего числа
молекул в системе. Эти силы являются короткодействующими. По характеру сил,
различают четыре типичные кристаллические структуры: ионную, атомную,
молекулярную и металлическую. Каждому взаимному размещению молекул отвечает
определенная результирующая сила взаимодействия F, а значит, и
определенная энергия взаимодействия U ( потенциальная энергия). Если
расстояние между молекулами изменится от r до r +
r,
то работа
A
= Fr.
Рис. 5. График взаимной потенциальной энергии двух молекул.
По величине этой работы можно судить об изменении потенциальной энергии,
причем
A
= –U
. Следовательно,
U
= –Fr.
Очевидно, при
молекулы
не взаимодействуют и U=0. При уменьшении расстояния между молекулами
начинают действовать все возрастающие силы притяжения, а потенциальная энергия
постепенно убывает. Это уменьшение потенциальной энергии взаимодействия будет
продолжаться до тех пор, пока молекулы не сблизятся на расстояние r= r0.
При r= r0 потенциальная энергия имеет минимальное
значение. Глубина минимума кривой взаимодействия (так называемая глубина
“потенциальной ямы”) соответствует величине энергии связи молекул, которая
определяется работой, необходимой, чтобы находящиеся в равновесии молекулы
оторвать одну от другой и развести на бесконечно большое расстояние.
После перехода через положение равновесия и при дальнейшем сближении молекул
между ними начинают проявляться быстро возрастающие силы отталкивания, в
результате кривая изменения потенциальной энергии резко идет вверх.
Полная энергия (в расчете на одну молекулу) складывается из ее потенциальной энергии взаимодействия и кинетической энергии теплового движения.
В твердом теле молекулы размещены в определенном порядке. Тепловое движение молекул в твердом теле совершается (в основном) в виде колебаний около определенных положений равновесия в пространстве.
Изучение этого учебного материала – один из благоприятных случаев, удобных для раскрытия диалектических противоречий в природе. Учитель здесь должен подчеркнуть, что единство противоположностей (одновременное существование сил взаимного притяжения и отталкивания) конкурирующих факторов обусловливает существование объектов и процессов такими, какими они есть.
При изложении материала о строении кристаллов и их свойствах, необходимо подчеркнуть тесную связь между правильной многогранной формой кристалла и внутренним строением вещества, которые и обуславливают целый ряд своеобразных свойств кристаллических тел. Учащимся полезно показать различные минералы, самоцветы, дендриты, фотографии (или диапозитивы) снежинок, гранит, металл или другие поликристаллические тела, а также рентгенограмму или электронограмму монокристалла и поликристаллического тела. Можно показать учащимся на примере иода образование кристаллов в парах вещества, а на примере медного купороса – образование их из растворов.
Рис. 6. Простые способы расположения частиц.
Рассказывая о строении кристаллов, говорим, что расположение частиц в пространстве может быть различным, но не любым. Для размещения частиц в кристаллах характерно наличие симметрии по отношению к определенным плоскостям и направлениям. Число различных возможных элементов и типов симметрии также ограничено. Изучение внутреннего строения кристаллов позволило установить, что частицы в кристаллах (молекулы, атомы и ионы) имеют правильное расположение, т.е. образуют кристаллическую (пространственную) решетку. Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела, называются узлами решетки. Наиболее простые способы расположениячастиц, составляющих кристаллы: кубические и гексагональные пространственные решетки (рис. 6), а также решетки алмаза и графита. Кубические решетки бывают объемно-центрированные (рис. 6.а) где частицы расположены в вершинах и центрах кубов; гранецентрированные (рис. 6.б), где частицы расположены в вершинах и центрах граней кубов.
Классификация кристаллов возможна как по расположению составляющих их частиц, так и по типу сил взаимодействия между частицами. По типу сил взаимодействия кристаллы разделяют на ионные, атомные, металлические и молекулярные.
Следует сказать ученикам, что, изображая частицы в виде шаров, мы получаем модель кристалла, которая позволяет рассмотреть некоторые свойства кристаллических тел, в частности, одно из важнейших свойств его частиц – плотно укладываться. При этом следует объяснить сходство и различие между объектом (частицей кристалла) и моделью (шаром).
Важно разобрать ионную и ковалентную связи в кристаллах, ионных, атомных и молекулярных решетках.
На примерах важно показать, что пространственная решетка представляет собой изображение кристалла с помощью точек, в которых расположены центры составляющих его частиц, соединенных между собой линиями. Полезно показать учащимся рисунок, на котором совмещены изображения плотной упаковки частиц в кристаллы и пространственная решетка (рис. 7).
Рис. 7. Плотная упаковка частиц и пространственная решетка.
При этом надо указать на соотношение размеров частиц в модели и истинных частиц кристалла.
Говоря о кристаллах с металлической связью, следует отметить, что в узлах их решетки находятся положительно заряженные ионы металла, а внешние, валентные электроны, слабо связанные с атомами, хаотически движутся по сложным орбитам, охватывающим весь металл. Эти свободные электроны (“электронный газ”) “стягивают” положительные ионы в плотную кристаллическую решетку. . Существование электронного газа в металлах объясняются как высокая теплопроводность, так и высокая электропроводимость всех металлов. Электронный газ удерживает положительные ионы в узлах решетки и придает большую прочность металлу (рис.8). Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов в пространственной решетке изучает кристаллография. В физике кристаллические структуры рассматривают не с точки зрения их геометрии, а по характеру сил, действующих между частицами кристалла, т.е. по типу связей между частицами.
Рис. 8. Плотная упаковка положительно заряженных ионов в кристаллах Na, Cr, a –Fe.
В молекулярных кристаллах силы взаимодействия между молекулами обусловлены небольшим взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов. Это так называемые поляризационные силы. Кристаллическая структура отличается пространственной решеткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещества (рис. 9).
Рис. 9. Модели:
а – пространственной решетки кристалла СО2; б – плотной упаковки кристалла СО2.
Силы, удерживающие молекулы в узлах очень слабые. Энергия связи в таких кристаллах мала, и поэтому молекулярные кристаллы легко деформируются (разрушаются), а также имеют низкую температуру плавления. Примером веществ с молекулярной пространственной решеткой является нафталин, твердый азот, кристалл двуокиси углерода – “сухого льда”. Следует обратить внимание учащихся на то, что утверждение “все тела состоят из молекул” справедливо только для молекулярных кристаллов – у ионных, атомных и металлических кристаллов весь образец по существу представляет собой одну гигантскую молекулу.
Ионная кристаллическая структура характеризуется наличием положительных и отрицательных ионов в узлах решетки. Силы, которые удерживают ионы в узлах такой решетки, являются силы электрического притяжения и отталкивания между этими ионами. Разноименно заряженные ионы в ионной решетке расположены ближе друг к другу, чем одноименно заряженные, поэтому силы притяжения между ионами решетки преобладают над силами отталкивания. Этим и объясняется значительная прочность кристаллов с ионной решеткой. При плавлении веществ с ионной кристаллической решеткой в расплав переходят ионы, которые становятся свободными носителями зарядов. Поэтому такие расплавы хорошие проводники электрического тока. Это характерно и для растворов. Раствор поваренной соли (хлористый натрий) в воде является хорошим проводником электрического тока (рис. 10).
Рис. 10. Модель кристаллической решетки и плотной упаковки хлористого натрия.
Атомная кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решетки, между которыми ковалентная связь. Ковалентной называется такая связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются силами притяжения, возникающими при взаимном обмене валентными электронами между этими атомами. При такой связи электронные облака валентных электронов атомов перекрываются. Эту область можно изобразить в виде электронного облака, которое гуще там, где электрон чаще бывает, т.е. где большая вероятность пребывания электрона. Оба валентных электрона принадлежат обоим атомам одновременно, и большую часть времени проводят между атомами, связывая их в молекулу. Эта связь сильная. Примером являются молекулы азота, водорода и т. д. Твердые вещества – это кремний, германий, алмаз и др. Схематические изображения атомной решетки типа алмаза и упаковки атомов в ней показаны на рис.11.
Рис. 11. Модель кристаллической решетки и плотной упаковки алмаза.
В этой решетке каждый атом образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Германий и кремний тоже имеют решетку типа алмаза. Ковалентная связь создает весьма прочные кристаллы. Такие вещества обладают большой механической прочностью и плавятся лишь при высоких температурах.
После рассмотрения плотной упаковки частиц в кристалле и некоторых типов пространственных решеток легко ввести понятие о дальнем порядке в размещении этих частиц. Для этого можно воспользоваться моделью пространственной решетки (например, моделью решетки поваренной соли) и рисунком 12.
Рис. 12. Расположение узлов в кристаллической решетке периодически повторяется вдоль любой прямой.
Легко показать, что если выбрать любое направление в пространстве, проходящее через центры частиц, то расстояние между двумя соседними частицами вдоль всей этой прямой остается неизменным. Для разных направлений (1, 2, 3) расстояние между центрами соседних частиц (a, b, c) разное. Правильное расположение частиц в узлах решетки кристалла называют дальним порядком в расположении частиц.
Итак, в физике под твердыми телами подразумевают только такие вещества, у которых имеется кристаллическое строение, т.е. у твердого тела обязательно должен быть дальний порядок в расположении его частей.
Итак, в кристаллах расстояние между соседними частицами зависит от направления. Этим и объясняется различие физических свойств по разным направлениям, то есть анизотропия кристалла. Анизотропию кристаллических тел можно показать на листочках слюды, графита (рис. 13), которые легко расщепляются в одном направлении и с трудом режутся в перпендикулярном к нему.
Рис. 13. Расположение узлов в кристаллической решетке графита.
Здесь ярко выражена зависимость механической прочности кристалла от направления. В каждом слое кристалла графита атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольниках, а расстояние между соседними слоями в 2,5 раза больше, чем расстояние между ближайшими атомами углерода в каждом слое. Поэтому слои в кристалле графита легко сдвигаются относительно друг друга. Соскальзыванием слоев мы пользуемся, когда пишем карандашом. Это же свойство графита используется при высоких температурах как смазочный материал.
Оптическую анизотропию можно продемонстрировать, например, с помощью кристалла исландского шпата, используя для этого набор по поляризации.
Проявлением анизотропии роста служит образование плоских граней у монокристаллов. Следует отметить, что монокристаллы могут быть анизотропны в отношении одних свойств и изотропны – в отношении других. Плоскости, по которым наиболее легко раскалывается кристаллическое вещество, называются плоскостями спайности.
Если на поверхности кристалла кварца нанести слой воска и коснуться концом нагретой проволоки середины грани кристалла (рис. 14 а), то воск расплавится по эллипсу. Значит, теплопроводность кристалла кварца зависит от направления и многих других свойств кристаллов. Можно обнаружить и такие направления, по которым те или иные свойства оказываются одинаковыми. Если срезать верхнюю половину кристалла (рис. 14 б) и повторить опыт, то воск расплавляется по окружности.
Рис. 14. Зависимость теплопроводности кварца от направления
Из этого следует, что анизотропией (неодинаковость проведения физических воздействий по разным направлениям) обладают только монокристаллы.
В поликристаллических (от греческого “поли” – много) телах анизотропия отсутствует. Это объясняется беспорядочной ориентацией кристаллических зерен. Было установлено, что прочность одного и того же поликристаллического вещества зависит от величины составляющих его мелких кристалликов (зерен): чем мельче размеры кристалликов, тем больше прочность этого вещества. Твердое тело является изотропным, т.е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям, хотя отдельный кристаллик обладает анизотропией. Аморфные тела тоже изотропны, т.к. у них нет пространственной решетки.
В заключение подчеркиваем, что единственной отличительной особенностью кристаллических тел является наличие трехмерного дальнего порядка в расположении структурных частиц, составляющих эти тела, кроме, разумеется, ближнего порядка в размещении этих частиц.
На практике идеального дальнего порядка в расположении частиц твердого
вещества никогда не получается. Отступления от идеального порядка в кристалле
называют дефектами пространственной решетки. Это может быть:
а) нарушение правильного расположения частиц кристалла в каждый момент времени
(тепловое движение этих частиц),
б) нарушение в строении самой решетки, называемое дислокацией рис.15,
в) внедрение чужеродных атомов или молекул в отдельные узлы решетки рис.16,
г) отсутствие частиц в отдельных узлах решетки, может обуславливаться диффузией
в твердых телах и т. д.
Рис. 15. Дислокация Рис. 16. Внедрение чужеродных атомов
Дефекты решетки в кристаллах сильно влияют на многие свойства твердых тел, например на прочность, пластичность, электропроводность и т.д.
При объяснении механических характеристик твердых тел и их свойств нужно использовать знания учащихся о зависимости сил взаимодействия от расстояния (рис. 17). Для более глубокого понимания сути рассматриваемых явлений можно выразить некоторые макрохарактеристики твердых тел (например, модуль Юнга) через их микрохарактеристики.
Рассмотрение полезно начинать с повторения сведений о силе упругости и закона Гука. Далее даем определение упругих и пластических деформаций. После этого можно перейти к объяснению упругости твердого тела на основании молекулярно-кинетических представлений.
Рис. 17. Зависимость сил взаимодействия от расстояния
Если твердое тело не деформировано, то входящие в его состав частицы
расположены на таких расстояниях друг от друга, что результирующая сила
взаимодействия каждой частицы тела с окружающими ее частицами равна нулю. Этому
расположению частиц соответствует минимальное значение их потенциальной энергии.
Внешняя нагрузка приводит к смещению частиц из “равновесных” положений, в
результате чего между этими частицами начинают действовать силы притяжения (или
отталкивания). Эти силы возрастают с увеличением
r.
Смещение частиц будет продолжаться до тех пор, пока сумма всех внутренних сил
взаимодействия между частицами
f
не уравновесит внешнюю силу F:
.
(5)
Внешняя нагрузка на твердое тело приводит его в напряженное состояние. Для
характеристики этого состояния принята физическая величина
называемая напряжением. Она измеряется силой, которая приходится на единицу
площади сечения тела в плоскости, перпендикулярной линии действия силы, то есть
,
(6)
Где F – действующая сила, S – сечение образца, перпендикулярное линии действия силы.
Из формулы (6) видно, что напряжения в разных сечениях одного и того же образца различны.
Наименьшее напряжение, после снятия которого в образце возникают первые признаки остаточной деформации, называется пределом упругости. Полагают, что деформация происходит при постоянной температуре. Тогда кинетическая энергия частиц твердого тела не изменяется, а потенциальная энергия их возрастает. Увеличение потенциальной энергии частиц упруго деформированного твердого тела приводит к возрастанию его внутренней энергии. При снятии нагрузки под действием внутренних сил взаимодействия частицы твердого тела вновь возвращаются в равновесные состояния. Внутренняя энергия тела снова становится минимальной.
В твердых телах возможны деформации формы и деформации объема. Рассмотрение видов деформаций следует начать с простейшего вида – растяжения. При растяжении увеличивается длина тела, но уменьшаются поперечные размеры. Очевидно, что деформация сжатия противоположна деформации растяжения.
Даем учащимся понятие и о других видах деформаций, приводим примеры, указываем на то, что все виды деформаций можно свести к двум: растяжению (сжатию) и сдвигу. После чего записываем закон Гука для деформации растяжения (сжатия). Ученики знают, что сила упругости зависит от координат, то есть что она пропорциональна деформации тела:
F = – kx, (7)
Где k – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью упругого тела. Числовое значение коэффициента k зависит от материала, длины и от поперечного сечения тела.
Если найти абсолютное удлинение тела (например, стержня) x = l – 10 (где l0 – начальная длина стержня, l – длина его после деформации), то оно еще не может быть выбрано за меру деформации вещества, так как зависит от начальной длины стержня.
За меру деформации принято относительное удлинение – удлинение единицы начальной длины стержня:
.
(8)
Для стержней разного поперечного сечения S под влиянием одной и той же силы относительная деформация будет тем меньше, чем толще стержень, то есть
Где
– коэффициент упругости, или коэффициент линейного растяжения, значение его
зависит от материала стержня.
В технике принято характеризовать материал не коэффициентом упругости , а
обратной величиной E=1/,
называемой модулем Юнга, или модулем упругости. Тогда
.
(10)
Таким образом, в пределах упругой деформации напряжение прямо пропорционально относительному удлинению.
Интересно отметить, что модуль упругости (в отличие от жесткости), являясь характеристикой материала, не зависит ни от длины, ни от поперечного сечения образца. Модуль Юнга для разных веществ различен. В поликристаллических телах, вследствие беспорядочной ориентации монокристалликов, модуль упругости имеет значение, одинаковое для всех направлений. В монокристаллах значение E зависит также от направления деформации.
Если в формуле (10) l = 2l0, то
= E. Следовательно, если бы закон Гука соблюдался до таких больших
удлинений, модуль упругости был бы равен напряжению, при котором длина тела
изменяется вдвое. В действительности твердые тела разрушаются при значительно
меньших деформациях и напряжениях.
Закон Гука справедлив только при не очень больших деформациях, что для каждого тела есть определенная предельная деформация, выше которой сила упругости перестает быть пропорциональной деформации. После того как этот предел достигнут, сила упругости растет с увеличением деформации медленнее, чем по закону Гука. .
В небольших пределах смещение одной частицы относительно другой ведет к появлению силы, которая стремится вернуть частицу в положение равновесия. Величина этой силы пропорциональна смещению частицы от положения равновесия.
Для больших смещений части от положения равновесия имеет место отклонение от
линейного изменения силы взаимодействия (кривая не совпадает с прямой), и, как
видно из рисунка 18, при таких деформациях удлинение
r
растет быстрее возвращающей силы, то есть имеет место отклонение от
закона Гука.
Рис. 18. Диаграмма растяжения.
Объяснение механизма деформации лучше проводить с одновременным рассмотрением диаграммы растяжения (рис. 18). Участок ОА (точка А – предел пропорциональности) обусловлен в основном увеличением расстояний между частицами вещества.
При упругой деформации после снятия напряжения частицы вещества возвращаются в свои равновесные положения. При усилиях, превышающих предел упругости, наступает пластическая деформация, не исчезающая и после прекращения действия сил. Она объясняется дефектностью структуры материала.
Виды деформаций. Если к стержню приложить две силы, направленные вдоль его оси в противоположные стороны, то он будет или растягиваться, или сжиматься. Увеличение (уменьшение) длины тела под действием сил, растягивающих его в одном направлении, называется деформацией продольного растяжения (сжатия). При такой деформации одновременно происходит небольшое изменение площади поперечного сечения тела.
Накачивая воздухом мяч, мы замечаем, что его размеры увеличиваются по всем направлениям. Опустив в воду, он сжимается по всем направлениям. Изменение объема тела по всем направлениям, называется деформацией всестороннего растяжения (сжатия). Положим стержень на две опоры, а к средине стержня приложим силу, направленную перпендикулярно к нему. При этом стержень прогнется. Изгиб стержня под действием сил, перпендикулярных к его оси, называется деформацией поперечного прогиба. Заметим, что выпуклая сторона удлиняется, а вогнутая укорачивается. Сдвиг параллельных слоев тела относительно друг друга под действием сил, параллельных этим слоям, называется деформацией сдвига. Поворот параллельных слоев тела относительно друг друга под действием двух пар сил называется деформацией кручения рис19.
Рис. 19. а) Деформация кручения возникает под действием пар сил; б) при деформации кручения цилиндра его образующие искривляются, превращаясь в винтовые линии.
Каждая из деформаций может быть большей или меньшей. Величину любой из них можно оценивать абсолютной или относительной деформациями. Относительной деформацией называется число, показывающее, какую часть от первоначального размера тела составляет абсолютная деформация.
Аморфные тела. Существует группа тел, которые обычно считаем твердыми, хотя они не имеют строгого расположения частиц в своем строении.. Это так называемые аморфные тела (янтарь, смола и др.). Они на ряду со свойствами, характерными для твердых тел (твердость, прочность, хрупкость), обнаруживают характерную для жидкостей текучесть. Основное свойство аморфных тел: отсутствие определенной формы, изотропия, не имеют резко выраженную точку плавления. Вывод: переход тела из аморфного состояния в жидкое состояние происходит непрерывным образом. Это объясняется особенностями строения, заставляющими считать их не твердыми телами, а жидкостями с очень большой вязкостью. В аморфных телах, нет дальнего порядка расположения частиц, существует лишь ближний порядок. ( Рис. 20).
Рис. 20. Структура кварца:
а – кристаллического; б – аморфного.
Аморфное состояние тел является неустойчивыми: античные стеклянные изделия, хранящиеся в Эрмитаже, в некоторых местах потеряли прозрачность; леденец засахаривается и пр.
Полимеры и их свойства. Твердыми телами являются полимеры. Полимеры делятся на каучуки, волокна и пластмассы. Существуют полимеры природного происхождения (натуральный каучук, белки, клетчатка, крахмал) и синтетические( синтетический каучук, синтетические волокна, пластмассы). Общим является у них необычно большая молекулярная масса. Широкое их применение основано на своеобразии их физических свойств. Чтобы понять эти свойства, научиться ими пользоваться и даже создавать материалы с заранее заданными свойствами, нужно изучить строение полимеров. Полимеры состоят из огромного числа повторяющихся атомов или групп атомов (мономеров), соединенных между собой (рис. 21). Молекулы многих полимеров представляют собой длинные цепи. В молекулах некоторых полимеров часть атомов водорода заменяют атомы других элементов или группы атомов. Важнейшее свойство полимерной молекулы – ее гибкость (Рис. 22).
Рис. 21. Кристаллическая решетка полиэтилена. Рис. 22. Модель углеродной цепи.
Полимеры могут находиться в аморфном, кристаллическом и аморфно-кристаллическом состоянии.
Полимеры широко применяются в народном хозяйстве, их используют как современные электроизоляционные материалы; теплоизоляционные материалы; синтетические ткани; изделия из синтетического каучука; применение полимеров в радиотехнике и т.п.
В зависимости от механических свойств полимеры можно разделить на три группы: стеклообразные, высокоэластичные и вязко-текучие.
Стеклообразные полимеры (желатин и др.) не способны к большим упругим деформациям, обладают высокими значениями модуля упругости, проявляют способность к хрупкому разрушению.
Высокоэластичные полимеры (каучук, резина и др.) способны обратимо деформироваться на многие сотни процентов. Модуль упругости в миллион раз меньше, чем для стали.
Вязко-текучие полимеры (невулканизированные каучуки) при действии внешних сил обнаруживают способность к пластическому течению. Исследование конфигурации молекулярных цепей под действием внешних сил полимеров, пришли к выводу, что можно получать материалы с заданными для человечества свойствами. Должны учитываться не только механические свойства, но и тепло-, звуко-, электроизоляционные и другие физические свойства полимеров.
Однако наука о полимерах имеет два пути. Один из них ведет в технику (что сказано выше), а другой в биологию. В биологии произошли важные события. Объединенными усилиями биологов, физиков и химиков была раскрыта сущность ряда основных явлений жизни. Выяснилось, что за важнейшие функции организмов – наследственность, изменчивость, обмен веществ, подвижность – ответственны молекулы, входящих в состав живых клеток, прежде всего молекулы белков и нуклеиновых кислот. А изучение строения и свойств молекул – предмет молекулярной физики. Новая область современной науки – молекулярная биофизика.