Bland fasta ämnen finns de i vars fraktur inga tecken på kristaller kan detekteras. Om du till exempel delar en bit vanligt glas blir dess brott slät och, till skillnad från kristallbrott, begränsas det inte till plana utan till ovala ytor. En liknande bild observeras när man delar bitar av harts, lim och några andra ämnen. Detta tillstånd av materia kallas amorft.

Skillnaden mellan kristallina och amorfa kroppar är särskilt slående i deras förhållande till uppvärmning. Medan kristallerna av varje ämne smälter vid en strikt definierad temperatur och vid samma temperatur sker övergången från flytande till fast substans, har amorfa kroppar ingen specifik smältpunkt. När den värms upp mjuknar den amorfa kroppen gradvis, börjar spridas och blir slutligen helt flytande. När den svalnar hårdnar den också gradvis.

På grund av frånvaron av en viss smältpunkt har amorfa kroppar också en annan egenskap: många av dem är flytande, som vätskor, det vill säga under långvarig verkan av relativt små krafter, ändrar de gradvis sin form. Till exempel, en bit harts placerad på en plan yta i ett varmt rum sprider sig över några veckor och tar formen av en skiva.

Angående inre struktur Skillnaden mellan ett ämnes kristallina och amorfa tillstånd är följande. Det ordnade arrangemanget av partiklar i en kristall, som reflekteras av enhetscellen, bevaras över stora områden av kristallerna, och i fallet med välformade kristaller, genom hela deras volym. I amorfa kroppar observeras ordning i arrangemanget av partiklar endast i mycket små områden. Dessutom, i ett antal amorfa kroppar är även denna lokala ordning endast ungefärlig.

Denna skillnad kan kortfattat formuleras på följande sätt: strukturen hos kristaller kännetecknas av långdistansordning, strukturen hos amorfa kroppar av kortdistansordning.

Det amorfa tillståndet är karakteristiskt till exempel för silikatglas (§ 182). Vissa ämnen kan vara i både kristallint och amorft tillstånd. Till exempel förekommer kiseldioxid i naturen i form av välformade kvartskristaller och även i amorft tillstånd (mineralflintan). I detta fall är det kristallina tillståndet alltid mer stabilt. Därför är en spontan övergång av ett ämne från ett kristallint tillstånd till ett amorft tillstånd omöjligt, men den omvända omvandlingen - en spontan övergång från ett amorft till ett kristallint tillstånd - är möjlig och observeras ibland. Ett exempel på en sådan omvandling är devitrifiering - spontan kristallisering av glas vid förhöjda temperaturer, åtföljd av dess förstörelse.

En naturlig skillnad i strukturen hos de flesta fasta material (med undantag för enkristaller), i jämförelse med flytande och särskilt gasformiga (låg molekylvikt) ämnen, är deras mer komplexa flernivåorganisation (se tabell 4.1 och fig. 4.3). . Detta beror på en minskning av kovalens och en ökning av metalliciteten och joniciteten hos homo- och heteronukleära bindningar av elementen i deras mikrostruktur (se fig. 6.2 och 6.6 och tabellerna 6.1-6.7), vilket leder till en ökning av antalet av element i strukturen av ämnet och materialet och en motsvarande förändring av dess aggregationstillstånd. När man studerar den strukturella hierarkin av fasta material är det nödvändigt att förstå enheten och skillnaderna i nivåerna av strukturell organisation av fasta metalliska och icke-metalliska material, med hänsyn till graden av ordning i volymen av materialet av elementen som bilda dem. Av särskild betydelse är skillnaden i strukturen hos fasta kristallina och amorfa kroppar, som består i förmågan hos kristallina material, i motsats till amorfa kroppar, att bilda en hel rad av fler komplexa strukturerän den grundläggande elektron-kärnkemiska nivån av strukturer.

Amorft tillstånd. Specificiteten för det amorfa (i översättning från grekiska - formlöst) tillstånd ligger i närvaron av ämnet i kondenserat (flytande eller fast) tillstånd med frånvaron i sin struktur av tredimensionell periodicitet i arrangemanget av elementen (atomskelett eller molekyler) som utgör detta ämne. Som ett resultat beror funktionerna i det amorfa tillståndet på frånvaron långdistansbeställning - strikt repeterbarhet i alla riktningar av samma strukturella element (kärna eller atomskelett, grupp av atomskelett, molekyler, etc.) över hundratals och tusentals perioder. Samtidigt har ett ämne i amorft tillstånd stäng ordning- konsekvens i arrangemanget av intilliggande strukturella element, d.v.s. ordning observerad på avstånd jämförbara med storleken på molekyler. Denna konsistens minskar med avståndet och försvinner efter 0,5-1 nm. Amorfa ämnen skiljer sig från kristallina ämnen genom isotropi, d.v.s. som vätska de har samma värden av en given egenskap när den mäts i någon riktning inom ett ämne. Övergången av ett amorft ämne från ett fast till ett flytande tillstånd åtföljs inte av en abrupt förändring i egenskaper - detta är den andra viktiga egenskapen som skiljer det amorfa tillståndet hos ett fast ämne från det kristallina. Till skillnad från en kristallin substans, som har en viss smältpunkt, vid vilken en abrupt förändring av egenskaper sker, kännetecknas ett amorft ämne av ett mjukningsintervall och en kontinuerlig förändring av egenskaper.

Amorfa ämnen är mindre stabila än kristallina. Varje amorft ämne måste i princip kristallisera med tiden, och denna process måste vara exoterm. Ofta är amorfa och kristallina former olika tillstånd av samma kemiska substans eller material. Således är amorfa former av ett antal homonukleära ämnen (svavel, selen, etc.), oxider (B 2 O e, Si0 2, Ge0 2, etc.) kända.

Samtidigt kan många amorfa material, i synnerhet de flesta organiska polymerer, inte kristalliseras. I praktiken observeras kristallisering av amorfa, särskilt högmolekylära, ämnen mycket sällan, eftersom strukturella förändringar hämmas på grund av den höga viskositeten hos dessa ämnen. Därför, om du inte tar till speciella metoder t.ex. vid långvarig exponering vid hög temperatur, sker övergången till det kristallina tillståndet med extremt låg hastighet. I sådana fall kan vi anta att ämnet i amorft tillstånd är nästan helt stabilt.

I motsats till det amorfa tillståndet som finns i ämnen som finns både i flytande eller smält form och i fast kondenserad form, glasartat tillstånd avser endast materiens fasta tillstånd. Som ett resultat, i flytande eller smältämnen kan vara i amorft tillstånd med valfri typ av anslutning(kovalent, metallisk och jonisk) och därför med både molekylär och icke-molekylär struktur. Dock i fast amorf, eller mer exakt, - glasartat tillstånd kommer i första hand att innehålla ämnen baserade på sjöstridskrafter, kännetecknade övervägande kovalent bindningstyp element i kedjor av makromolekyler. Detta beror på det faktum att det fasta amorfa tillståndet hos ett ämne erhålls som ett resultat av underkylning av dess flytande tillstånd, vilket stör kristalliseringsprocesser och leder till "frysning" av en struktur med kort räckvidd i arrangemanget av element. Observera att närvaron av makromolekyler i strukturen av polymermaterial, på grund av inverkan av den steriska storleksfaktorn (det är trots allt lättare att skapa en kristall från katjoner än från molekyler), leder till en ytterligare komplikation av kristalliseringsprocessen . Därför kan organiska (polymetylmetakrylat, etc.) och oorganiska (oxider av kisel, fosfor, bor, etc.) polymerer bilda glas eller åstadkomma ett amorft tillstånd i fasta material. Det är sant att idag omvandlas metallsmältor vid ultrahöga kylningshastigheter (>10 6 °C/s) till ett amorft tillstånd, vilket ger amorfa metaller eller metall glasögon med ett komplex av nya värdefulla fastigheter.

Kristallint tillstånd. I en kristallin kropp observeras det som nära, alltså lång räckvidd ordning arrangemang av strukturella element (atomskelett eller partiklar i form av individuella molekyler), d.v.s. delar av strukturen är belägna i rymden på ett visst avstånd från varandra geometriskt i rätt ordning, bildande kristaller - fasta ämnen som har den naturliga formen av vanliga polyedrar. Denna form är en följd av det ordnade arrangemanget av element i kristallen, vilket bildar ett tredimensionellt periodiskt rumsligt arrangemang i formen kristallgitter. Ett ämne i kristallint tillstånd kännetecknas av periodisk repeterbarhet i tre dimensioner av placeringen av atomskelett eller molekyler i dess noder. En kristall är ett jämviktstillstånd för fasta ämnen. Varje kemiskt ämne, som är i ett kristallint tillstånd under givna termodynamiska förhållanden (temperatur, tryck), motsvarar en viss kristallin kovalent eller molekylär, metallisk och jonisk struktur. Kristaller har en eller annan strukturell symmetri av atomskelett (katjoner i en metall eller katjoner och anjoner i joniska kristaller) eller molekyler, en motsvarande makroskopisk symmetri av yttre form, såväl som anisotropi av egenskaper. Anisotropi - detta är skillnaden mellan egenskaper (mekaniska, fysikaliska, kemiska) hos en enskild kristall i olika riktningar av dess kristallgitter. Isotropi - Detta är likheten mellan egenskaperna hos ett ämne i dess olika riktningar. Naturligtvis bestäms dessa mönster av förändringar i ett ämnes egenskaper av detaljerna i förändringen eller icke-förändringen i deras struktur. Verkliga kristallina material (inklusive metaller) är kvasiisotropa strukturer, dessa. de är isotropa på mesostrukturell nivå (se tabell 4.1) och deras egenskaper är desamma i alla riktningar. Detta beror på att de flesta naturliga eller konstgjorda kristallina material är det polykristallinämnen, inte enkristaller

(diamanttyp). De består av ett stort antal sk korn eller kristalliter, kristallografiska plan som roteras i förhållande till varandra med en viss vinkel a. Dessutom, i vilken riktning som helst av materialets mesostruktur, finns det ungefär samma antal korn med olika orienteringar av kristallografiska plan, vilket leder till oberoende av dess egenskaper från riktning. Varje korn består av individuella element - block, som roteras i förhållande till varandra i vinklar i storleksordningen flera minuter, vilket också säkerställer isotropin av egenskaperna hos själva korn som helhet.

Kristallina tillstånd av samma ämne kan skilja sig åt i struktur och egenskaper, och då säger man att detta ämne finns i olika modifieringar. Förekomsten av flera kristallina modifieringar av ett givet ämne kallas polymorfism, och övergången från en modifiering till en annan - polymorf transformation. Till skillnad från polymorfism, allotropi- är förekomsten av ett element i form av olika "enkla" (eller, mer exakt, homonukleära) ämnen, oavsett deras fastillstånd. Till exempel är syre 0 2 och ozon O e allotropa former av syre som finns i gasformiga, flytande och kristallina tillstånd. Samtidigt är diamant och grafit - allotropa former av kol - också dess kristallina modifikationer, i detta fall sammanfaller begreppen "allotropi" och "polymorfism" för dess kristallina former.

Fenomenet observeras också ofta isomorfi, där två ämnen av olika natur bildar kristaller av samma struktur. Sådana ämnen kan ersätta varandra i kristallgittret och bilda blandade kristaller. Fenomenet isomorfism demonstrerades första gången av den tyske mineralogen E. Mitscherlich 1819 med exemplet KH 2 P0 4, KH 2 As0 4 och NH 4 H 2 P0 4. Blandade kristaller är helt homogena blandningar av fasta ämnen - det är de substitutionella fasta lösningar. Därför kan vi säga att isomorfism är förmågan att bilda substitutionella fasta lösningar.

Traditionellt är kristallstrukturer traditionellt indelade i homodesmisk (koordination) och heterodesmisk. Homo-demisk Till exempel har diamant- och alkalimetallhalider en struktur. Men mycket oftare har kristallina ämnen heterodesmisk strukturera; dess karakteristiska egenskap är närvaron av strukturella fragment, inom vilka atomskeletten är förbundna med de starkaste (vanligtvis kovalenta) bindningarna. Dessa fragment kan vara ändliga grupperingar av element, kedjor, lager, ramar. Följaktligen särskiljs ö-, kedja-, skikt- och ramstrukturer. Nästan alla organiska föreningar och oorganiska ämnen som halogener, 0 2, N 2, CO 2, N 2 0 4, etc. har östrukturer. Öarnas roll spelas av molekyler, varför sådana kristaller kallas molekyler. Ofta fungerar polyatomiska joner (till exempel sulfater, nitrater, karbonater) som öar. Till exempel har kristaller av en av Se-modifieringarna en kedjestruktur (atomskeletten är länkade till ändlösa spiraler) eller PdCl 2-kristaller, som innehåller ändlösa band; skiktad struktur - grafit, BN, MoS 2, etc.; ramstruktur - CaTYu 3 (atomskelett av Ti och O, förenade av kovalenta bindningar, bildar en genombruten ram, i vars tomrum Ca atomskelett är belägna). Vissa av dessa strukturer klassificeras som oorganiska (kolfria) polymerer.

Baserat på typen av bindning mellan atomskelett (när det gäller homodesmiska strukturer) eller mellan strukturella fragment (när det gäller heterodesmiska strukturer), särskiljs de: kovalenta (till exempel SiC, diamant), joniska, metalliska (metaller) och intermetalliska föreningar) och molekylära kristaller. Kristaller av den sista gruppen, i vilka strukturella fragment är sammankopplade genom intermolekylär interaktion, har största antal företrädare.

För kovalent enkristaller som diamant, karborundum etc. kännetecknas av eldfasthet, hög hårdhet och slitstyrka, vilket är en konsekvens av styrkan och riktningen hos den kovalenta bindningen i kombination med deras tredimensionella rumsliga struktur (polymerkroppar).

Jonisk Kristaller är formationer där vidhäftningen av mikrostrukturelement i form av motjoner främst beror på joniska kemiska bindningar. Ett exempel på jonkristaller är halogenider av alkali- och jordalkalimetaller, i kristallgitterställena där det finns alternerande positivt laddade metallkatjoner och negativt laddade halogenanjoner (Na + Cl -, Cs + Cl -, Ca + F^, Fig. 7.1).

Ris. 7.1.

I metallkristaller sammanhållningen av atomkärnor i form av metallkatjoner beror huvudsakligen på metalliska icke-riktade kemiska bindningar. Den här typen Kristaller är karakteristiska för metaller och deras legeringar. Vid noderna av kristallgittret finns atomkärnor (katjoner) sammankopplade av en elektrongas (elektrongas). Strukturen hos kristallina metallkroppar kommer att diskuteras mer i detalj nedan.

Molekylära kristaller bildas av molekyler bundna till varandra av van der Waals-krafter eller vätebindningar. Inuti molekylerna finns en starkare kovalent bindning (C k råder över C och och C m). Fasomvandlingar av molekylära kristaller (smältning, sublimering, polymorfa övergångar) sker som regel utan att enskilda molekyler förstörs. De flesta molekylära kristaller är kristaller av organiska föreningar (till exempel naftalen). Molekylära kristaller bildas också av ämnen som H 2 , halogener som J 2 , N 2 , 0 2 , Sg , binära föreningar som H 2 0 , C0 2 , N 2 0 4 , organometalliska föreningar och vissa komplexa föreningar. Molekylära kristaller inkluderar även kristaller av naturliga polymerer såsom proteiner (Fig. 7.2) och nukleinsyror.

Polymerer, som redan nämnts ovan, hänvisar i regel också till ämnen som bildar molekylära kristaller. Men i det fall då packningen av makromolekyler har en veckad eller fibrillär konformation skulle det vara mer korrekt att tala om kovalenta molekylära kristaller(Fig. 7.3).

Ris. 7.2.

Ris. 7.3.

Detta beror på det faktum att längs en av gitterperioderna (till exempel perioden Med när det gäller polyeten, vars makromolekyler är i veckad konformation, bildar en lamell), verkar starka kemiska (fig. 7.3), huvudsakligen kovalenta, bindningar. Samtidigt, längs två andra gitterperioder (till exempel perioder b Och Med i samma vikta polyetenkristaller) verkar svagare intermolekylära interaktionskrafter.

Uppdelningen av kristaller i dessa grupper är till stor del godtycklig, eftersom det sker gradvisa övergångar från en grupp till en annan när bindningens natur i kristallen förändras. Till exempel, bland intermetalliska föreningar - föreningar av metaller med varandra - kan man urskilja en grupp föreningar där en minskning av metallkomponenten i den kemiska bindningen och en motsvarande ökning av de kovalenta och joniska komponenterna leder till bildning av kolesterol i i enlighet med klassiska valenser. Exempel på sådana föreningar är magnesiumföreningar med element från huvudundergruppen av grupperna IV och V Periodiska systemet, som är övergångsmässigt mellan metaller och icke-metaller (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2, Mg 3 Sb 7, Mg 3 Bi 7), till den huvudsakliga karaktäristiska egenskaper som vanligtvis inkluderar följande:

• deras heteronukleära kristallgitter skiljer sig från de homonukleära gittren hos moderföreningarna;
• i deras kombination bevaras vanligtvis ett enkelt multipelförhållande av komponenterna, vilket gör att deras sammansättning kan uttryckas med den enkla formeln A w B;? där A och B är motsvarande element; T Och p - primtal;
• heteronukleära föreningar kännetecknas av en ny kvalitet på struktur och egenskaper i motsats till de ursprungliga föreningarna.

I kristall strukturella element(joner, atomskelett, molekyler) som bildar en kristall arrangeras regelbundet i olika riktningar (fig. 7) La). Vanligtvis presenteras den rumsliga bilden av kristallstrukturen schematiskt (fig. 7.45), vilket markerar tyngdpunkterna med prickar strukturella element, inklusive galleregenskaper.

Plan parallella koordinera plan, ligger på avstånd a, b, c från varandra, dela kristallen i många lika och parallellt orienterade parallellepipeder. Den minsta av dem kallas enhetscell, deras kombination bildar en rumslig kristallgitter. Punkterna på parallellepipeden är noder i det rumsliga gittrets tyngdpunkter för de element som kristallen är uppbyggd av sammanfaller med dessa noder.

Rumsliga kristallgitter beskriver helt kristallens struktur. För att beskriva enhetscellen i ett kristallgitter används sex kvantiteter: tre segment lika med avstånden till de närmaste elementarpartiklarna längs koordinataxlarna a, b, c, och tre vinklar mellan dessa segment a, (3, y.

Relationerna mellan dessa storheter bestämmer cellens form, beroende på vilka alla kristaller är indelade i sju system (tabell 7.1).

Storleken på enhetscellen i kristallgittret uppskattas av segment a, b, c. De kallas gitterperioder. Genom att känna till gitterperioderna kan du bestämma radien för elementets atomkärna. Denna radie är lika med hälften av det minsta avståndet mellan partiklarna i gittret.

Graden av komplexitet av gittret bedöms av antal strukturella element, per enhetscell. I ett enkelt rumsgitter (se fig. 7.4) finns alltid ett element per cell. Varje cell har åtta hörn, men

Ris. 7.4. Arrangemang av element i en kristall: A- bild med placering av volymen av elementets atomskelett; b - rumslig bild av enhetscellen och dess parametrar

Tabell 7.1

Egenskaper hos kristallsystem

varje element i spetsen tillhör i sin tur åtta celler. Således, från noden, står varje cell för Y8-volymen, och det finns totalt åtta noder i cellen, och därför finns det ett strukturellt element per cell.

I komplexa rumsliga gitter finns det alltid mer än ett strukturelement per cell, som är vanligast i de viktigaste rena metallanslutningar(Fig. 7.5).

Följande metaller kristalliseras i ett bcc-gitter: Fea, W, V, Cr, Li, Na, K, etc. Fey, Ni, Coa, Cu, Pb, Pt, Au, Ag, etc. kristalliseras i ett fcc-gitter , Tia, Cop, Cd, Zn, etc. kristalliseras i hcp-gittret.

System, period och antal strukturella element, per enhetscell, gör det möjligt för oss att helt och hållet föreställa oss platsen för den senare i kristallen. I ett antal fall används ytterligare egenskaper hos kristallgittret, bestämt av dess geometri och återspeglar elementens packningsdensitet.

Ris. 7.5. Typer av komplexa enhetsceller av kristallgitter: A - OCC; 6 - HCC; V- HCP-behållarpartiklar i kristallen. Sådana egenskaper är CN och kompakthetskoefficient.

Antalet närmaste ekvidistanta elementarpartiklar avgör koordinationsnummer. Till exempel, för ett enkelt kubiskt gitter kommer CN att vara 6 (Kb); i gittret av en kroppscentrerad kub (BCC), för varje atomkärna kommer antalet sådana grannar att vara lika med åtta (K8); för ett ansiktscentrerat kubiskt gitter (FCC) är CN-numret 12 (K 12).

Förhållandet mellan volymen av alla elementära partiklar per enhetscell och hela volymen av elementarcellen bestämmer kompakthetsfaktor. För ett enkelt kubiskt gitter är denna koefficient 0,52, för bcc - 0,68 och fcc - 0,74.

• Sirotkin R.O. Effekten av morfologi på utbytebeteendet hos lösningskristalliserade polyetener: doktorsavhandling, University of North London. - London, 2001.

I nyligen Fysiken hos icke-kristallina ämnen, som i synnerhet inkluderar amorfa material, utvecklas intensivt. Den största skillnaden mellan amorfa material och kristaller är att de senare har både kort- och långdistans symmetriordningar, medan de förstnämnda endast har kortdistansordning. Låt oss komma ihåg det stäng ordning kallas bevarandet av symmetri över en längd av flera interatomära avstånd. Respektive lång räckvidd ordning för de flesta material är det ~10 nm - avståndet i det område där den kristallina ordningen bevaras.

Idealiska kristaller har både lång och kort räckvidd. Även riktiga kristaller har per definition båda ordningarna. Amorfa kroppar har endast kort räckvidd. Atomerna i en sådan kropp är ordnade i tre dimensioner kontinuerligt nät, liknande kristallgittret för motsvarande kristall. Men till skillnad från ett kristallgitter är detta rutnät oregelbundet: varje cell är något deformerad. Försvinnandet av långdistansordning kan också associeras med bindningsbrytning och sammansättningsfluktuationer i komplexa föreningar (Fig. 1.12, A). Strukturen hos amorfa kroppar liknar strukturen hos vätskor, vilket inte är förvånande, eftersom ett av sätten att erhålla amorfa kroppar är intensiv kylning av smältor (Fig. 1.12, b).

A) b)

Ris. 1.12. Strukturen av en amorf kropp ( A) och schemat för dess mottagande ( b)

Legeringen hälls på en trumma som innehåller flytande kväve som roterar runt dess axel ( T= 73K). Kylningshastigheten är cirka 10 6 K/s, och smältan hinner inte kristallisera stelningsprocessen följer den övre kurvan och kännetecknas inte av kristallisationstemperaturen T till och temperaturintervallet T k – T a(Fig. 1.12, b). Grafen visar att densiteten hos den amorfa kroppen är något lägre än kristallens.

Amorfa material kallas ibland glasögon. De har andra egenskaper än kristaller. Amorfa material kännetecknas av frånvaron av defekter såsom dislokationer, korngränser etc, vilket resulterar i mycket hög hållfasthet och slitstyrka. Exempelvis är draghållfastheten för amorfa järnbaserade legeringar mycket högre än för de starkaste stålen. Sådana egenskaper hos amorfa metaller används redan i magnetiska registreringshuvuden, mikrolager som fungerar utan smörjning, etc.

Amorfa halvledare används inom elektronik. Deras relativt svaga känslighet för främmande föroreningar tillåter användning av enklare och billigare metoder för produktion än när det gäller växande enkristaller.

För närvarande anses följande vara de mest lovande användningsområdena för amorfa halvledare.

Elektrofotografering (xerografi) är en process som drar fördel av selenglasets fotokonduktiva egenskaper. För att få en kopia behandlas först den övre ytan av selenglasfilmen genom att spruta positiva joner på den. I detta fall får metallsubstratet en negativ laddning. Filmen belyses sedan med ljus som reflekteras från originalet som kopieras. Där det fanns en bild på originalet absorberas ljuset; där det inte fanns någon bild reflekteras ljuset från arket och träffar filmen. Så bildas en positiv bild på en amorf film. Färgen dras sedan till det positiva, överförs till ett ark positivt laddat papper och fixeras genom värme.

Solpaneler– anordningar för direkt omvandling av ljusenergi till elektrisk energi (avsnitt 7.8). Huvudmaterialet för sådana batterier är kisel, det näst vanligaste i jordskorpan element. Komplexiteten och energiintensiteten för att erhålla rent kristallint kisel hindrar dock arbetet i denna riktning. Användningen av amorft kisel, som är okänsligt för föroreningar, öppnar för stora möjligheter.

Switchar och lagringsenheterär grunden för digital elektronik. Kalkogenidglas baserade på svavel, selen och tellur har egenskapen att växla från ett tillstånd till ett annat. Dessa tillstånd har olika ledningsförmåga. I fig. 1,13, A, b grafer över ström-spänningsegenskaperna för sådana element ges.

Ris. 1.13. Ström-spänningsegenskaper med omkoppling

Grafen i fig. 1,13, A motsvarar den s.k tröskelväxling. Applicering på ett element av en spänning över tröskelvärdet ( U sid) leder till ett hopp i ström-spänningskarakteristiken från gren 1 till gren 2, vilket motsvarar en ökning av konduktiviteten med sex storleksordningar (tillståndet "på"). Om spänningen som appliceras på elementet reduceras till återställningspunkten kommer elementet att växla tillbaka till ett lågkonduktivitetstillstånd.

Omkopplingseffekten är förknippad med särdragen hos den elektroniska strukturen hos kalkogenidglasögon. Det har konstaterats att det ledande tillståndet slås på när alla positivt och negativt laddade fällor som finns i glaset är fyllda med laddningsbärare. I detta fall ökar livslängden för injicerade bärare kraftigt. Om det före bytet var mycket kortare än den tid under vilken bärarna lyckas passera filmen, blir tiden efter bytet mycket längre än vad som krävs.

Minnesbyte observeras i glasögon som lätt kan kristallisera. I det ögonblick då spänningen når ett tröskelvärde bildas kristallina filament i glaset, vilket möjliggör memorering. Sådan information raderas genom att skicka en puls som smälter det kristallina glödtråden och återför elementet till ett amorft tillstånd.

Säkerhetsfrågor och uppgifter

1.1. Vad är karaktären hos de krafter som verkar i en fast kropp?

1.2. Vilken position kallas för jämvikt?

1.3. Definiera ett kristallgitter.

1.4. Vad är anledningen till förändringen i strukturen hos ett fast ämne?

2.1. Definiera en idealisk kristall.

2.2. Vad kallas en translationsvektor?

2.3. Hur definieras Bravais gitter?

2.4. Ge begreppet en enhetscell.

2.5. Hur många partiklar innehåller en enhetscell?

2.6. Vilken funktion har Miller-index?

2.7. Rita grafiskt i ett kubiskt gitter Miller-planen (011), (211), (121), (121).

3.1. Vilka fluktuationer kallas normala?

3.2. Vad är frekvensområdet för normala vibrationer?

3.3. Hur skiljer sig en kristall från ett kontinuerligt medium?

3.5. Ge definitionen av fas- och grupphastigheter för en våg.

3.6. Vilka vibrationer kallas akustiska?

3.7. Hur skiljer sig optiska vibrationer från akustiska vibrationer?

3.8. Definiera en fonon.

3.9. Hur bestämmer man fononenergin?

3.10. Vad är anledningen termisk expansion kristaller?

4.1. Definiera en riktig kristall.

4.2. Vilka punktfel känner du till?

4.3. Lista ytdefekter.

4.4. Hur påverkar temperaturen kroppsdefekter?

4.6. Vad kan man säga om förflyttning av defekter?

4.7. Hur uppstår och försvinner defekter?

4.8. Jämför koncentrationen av defekter enligt Frenkel när temperaturen ändras med 100ºC.

5.1. Vilka egenskaper är strukturberoende?

5.2. Hur påverkar defekter den elektriska ledningsförmågan hos metaller?

5.3. Hur påverkar defekter den elektriska ledningsförmågan hos halvledare?

5.4. Vad kallas färgcentra?

5.5. Vilka defekter avgör mekanisk styrka fasta ämnen?

5.6. Förklara mekanismen för härdningsoperationer.

6.1. Definiera flytande kristaller.

6.2. Vad är kortdistans symmetriordning?

6.3. Hur är strukturen hos nematiska flytande kristaller (LC)?

6.4 Vilken struktur har kolesteriska FA?

6.5. Vilken struktur har smektiska flytande kristaller?

6.6. Vilka faktorer påverkar strukturerna och egenskaperna hos flytande kristaller?

6.7. Nämn användningsområdena för flytande kristaller.

7.1. Definiera det amorfa tillståndet.

7.2. Nämn metoderna för att erhålla amorfa kroppar.

7.3. Beskriv egenskaperna hos amorfa halvledare.

7.4. Var används amorfa metaller?

7.5. Var och hur används amorfa halvledare?

7.6. Beskriv mekanismen för omkopplingseffekter.

Kapitel 2
KVANTMEKANIKENS FYSISKA GRUND

Amorft tillstånd(amorf - formlös, från grekiskan o! - negativt prefix och tsorsrt] - form) - tillståndet hos fasta ämnen där de

har, till skillnad från kristaller, isotropi, d.v.s. de har samma fysiska egenskaper i alla riktningar (jfr Kristaller, Anisotropi). Gaser och vätskor kan också betraktas som amorfa i denna mening.

Amorfa kroppar är naturliga (opal, vulkaniskt glas - obsidian, bärnsten, hartser, bitumen) och konstgjorda (vanligt glas, smält kvarts, bakelit); ett antal oxider och salter kan erhållas i amorf form. Vissa av de amorfa kropparna är mycket komplexa i sammansättning (vanligt glas), medan andra är enkla kemiska föreningar t ex glasartad kvarts, borax, borsyraanhydrid etc. Vanligt glas är det mest typiska exemplet på en amorf kropp, varför en fast kropp idag accepteras i a.s. kalla det glasigt. Isotropin hos ett amorft ämne manifesteras till exempel i det faktum att det inte ger en platt klyvningsyta, som en kristall med klyvning, utan ger en oregelbunden "konkoidal" fraktur. Fysiska egenskaper hos materia i A. s. - kompressibilitet, elektrisk och termisk ledningsförmåga, optisk. egenskaper etc. är desamma i alla riktningar. Det finns ingen dubbelbrytning i ett amorft ämne om inte ämnet är under stress. Genom snabb kylning kan det amorfa ämnet erhållas i härdad form (se Bataviska tårar); då finns det betydande inre spänningar i den, som ger upphov till mycket skarpa interferensfransar i polarisationsanordningen. Långsam glödgning förstör härdningen helt. Detta är av stor betydelse vid glasproduktion. För närvarande används den nolarisationsoptiska metoden för att studera spänningar i maskindelar på modeller gjorda av amorf plast i stor utsträckning.

Egenskaperna hos amorfa kroppar bestäms av deras struktur. I kristaller är atomer eller joner ordnade i ett kristallgitter med ett visst periodiskt mönster; I en amorf kropp är atomer och molekyler ordnade kaotiskt. Isotropin hos ett amorft ämne förklaras av den slumpmässiga fördelningen av dess partiklar. En skarp skillnad i beteendet hos kristaller och amorfa ämnen avslöjas under övergången av ett fast ämne till ett flytande tillstånd och tillbaka. En kristalls smältkurva har ett mer eller mindre abrupt temperaturstopp vid smältpunkten, där latent värme absorberas (se) och en diskontinuerlig förändring av alla egenskaper detekteras (figur!). I en amorf kropp sker övergången gradvis, utan att bryta kontinuiteten, och ett "mjukningsintervall" observeras (ett intervall på mycket stort 1 000°), där

Tid t Fig. 1.

(för vanliga glasögon detta

ett ämne övergår gradvis från ett fast tillstånd till ett flytande tillstånd. När processen vänds upptäcks ofta hypotermi; ämnet kristalliserar inte vid smältpunkten, men vid ytterligare kylning tjocknar det i flytande tillstånd, dess viskositet (se) ökar kraftigt, molekylerna förlorar sin rörlighet, och slutligen,

stelning sker i amorf form. Ämnets molekyler visar sig i detta fall vara slumpmässigt arrangerade, eftersom de inte hade tid att bilda ett vanligt kristallgitter på grund av enorm intern friktion. I detta fall frigörs inte latent värme, och energireserven för den amorfa substansen visar sig vara större än den för den kristallina; därför A. s. termodynamiskt instabil och tenderar att omvandlas till en stabil kristallin form. Kristallisation av en fast a.s. går mycket långsamt; Glas blir grumligt under kristalliseringen och förvandlas till en porslinsliknande massa. Vid framställning av glas ger kristallisation ofta stora defekter och kallas stelning. När berget stelnar i ett amorft tillstånd spelar processerna för association av molekyler, polymerisation och kondensation (se) en viktig roll, vilket är av betydande intresse för framställning av. bakelit andra plaster.

Teori om A. s. utvecklad baserat på studiet av kristallisations- och underkylningsprocesser. Förmågan hos ett ämne att kristallisera bestäms av antalet kristallisationscentra n som bildas per tidsenhet (fig. 2 - allmänt diagram), den linjära kristallisationshastigheten v och ökningen av viskositeten m) under underkylning. Som framgår av kurva 2, under underkylning finns det initialt en maximal kristallisationshastighet, dock

vid denna tidpunkt är antalet centra fortfarande litet, eftersom denna kurvas maximum ligger långt under smältpunkten. Vid ytterligare kylning blir viskositeten för hög, vilket gör bildningen av centra svår, och kristallisationshastigheten blir försvinnande låg. Därför, om smältan snabbt underkylas, förlorar den förmågan att kristallisera och stelnar till en amorf glasartad massa. Även om en viss övergångspunkt för ett ämne från A. s. i en vätska men existerar, uppvisar ett antal fysikaliska egenskaper i mjukningsområdet anomalt beteende, ungefär vid den punkt där viskositeten har ett abs-värde. enheter (poises). Sålunda, vid uppvärmning, ökar expansionskoefficienten i mjukningsområdet mycket kraftigt, såväl som värmekapacitet, elektrisk ledningsförmåga och dielektrikum. permeabilitet, brytningsindex. På grundval av detta tror man ibland att det glasartade amorfa tillståndet är ett speciellt fjärde tillstånd av materia.

Med den utbredda utvecklingen av röntgenanalys, såväl som elektrondiffraktion, blev det tydligt att många kroppar som tidigare ansetts som amorfa faktiskt har en finkristallin struktur, det vill säga att de är mycket dispergerade system (se Dispergeringssystem). Det visade sig att amorft kol består av små kristaller, samt många oxider och hydrater av metalloxider och ett antal kolloider, det vill säga dispergerade partiklar i kolloidala lösningar. Röntgenstudier har visat att i vanligt glas, i smält

Underkylningstemperatur Fig. 2.

kvarts, i boraxglas finns det kristallkärnor som mäter 10~6-10~7 cm. Bekräftelse av detta faktum genom ytterligare forskning bör jämna ut den skarpa kanten i våra idéer om strukturen hos amorfa glasartade ämnen och vanliga polykristallina kroppar.

Lit.: K o beko P. P., Amorft tillstånd. L.-M., ; Och in g u s t i n i k A. I., Physical chemistry of silicates. L.-M., ; B o t v i i k i n O. K., Introduktion till silikaternas fysikaliska kemi, M.-L., ; B l yu m-berg B. Ya., Introduktion till glasets fysikaliska kemi, Leningrad, ; Glasteknik (Specialkurs), red. I. I. Kitaigorodsky, vol. 1, M.-L., ; Strukturen av glas. lö. artiklar, red. M. A. Bezborodova, M.-L., ; Glagolev S.P., Kvartsglas, dess egenskaper, tillverkning och användning, M.-L., ; Lewis W. K., Kemi av kolloidala och amorfa ämnen, trans. från engelska, M., ; Gatchek E., Viscosity of liquids, 2nd ed., with add. M.P. Volarovich och D.M. Tolstoy, M.-L.,

Till skillnad från kristallina fasta ämnen finns det ingen strikt ordning i arrangemanget av partiklar i ett amorft fast ämne.

Även om amorfa fasta ämnen kan behålla sin form, har de inget kristallgitter. Ett visst mönster observeras endast för molekyler och atomer som finns i närheten. Denna ordning kallas stäng ordning . Det upprepas inte i alla riktningar och kvarstår inte över långa avstånd, som med kristallina kroppar.

Exempel på amorfa kroppar är glas, bärnsten, konstgjorda hartser, vax, paraffin, plasticine, etc.

Funktioner hos amorfa kroppar

Atomer i amorfa kroppar vibrerar runt slumpmässigt placerade punkter. Därför liknar strukturen hos dessa kroppar strukturen hos vätskor. Men partiklarna i dem är mindre rörliga. Tiden de svänger runt jämviktspositionen är längre än i vätskor. Hopp av atomer till en annan position förekommer också mycket mer sällan.

Hur beter sig kristallina fasta ämnen när de värms upp? De börjar smälta vid en viss tid smältpunkt. Och under en tid är de samtidigt i fast och flytande tillstånd, tills hela ämnet smälter.

Amorfa fasta ämnen har ingen specifik smältpunkt . När de värms upp smälter de inte, utan mjuknar gradvis.

Placera en bit plasticine nära värmeanordningen. Efter en tid blir den mjuk. Detta sker inte omedelbart, utan under en viss tidsperiod.

Eftersom egenskaperna hos amorfa kroppar liknar egenskaperna hos vätskor, betraktas de som underkylda vätskor med mycket hög viskositet (frysta vätskor). Under normala förhållanden kan de inte flyta. Men när de värms upp sker hopp av atomer i dem oftare, viskositeten minskar och amorfa kroppar mjuknar gradvis. Ju högre temperatur, desto lägre viskositet, och gradvis blir den amorfa kroppen flytande.

Vanligt glas är en solid amorf kropp. Det erhålls genom att smälta kiseloxid, soda och kalk. Genom att värma upp blandningen till 1400 o C erhålls en flytande glasartad massa. Vid kylning flytande glas stelnar inte som kristallina kroppar, utan förblir en vätska, vars viskositet ökar och flytbarheten minskar. Under normala förhållanden framstår den för oss som en solid kropp. Men i själva verket är det en vätska som har enorm viskositet och flytbarhet, så låg att den knappt kan urskiljas av de mest ultrakänsliga instrumenten.

Ett ämnes amorfa tillstånd är instabilt. Med tiden övergår det gradvis från ett amorft tillstånd till ett kristallint tillstånd. Denna process sker i olika takt i olika ämnen. Vi ser godisrör bli täckta av sockerkristaller. Detta tar inte särskilt lång tid.

Och för att kristaller ska bildas i vanligt glas måste det gå mycket tid. Under kristallisering förlorar glas sin styrka, transparens, blir grumligt och blir skört.

Isotropi av amorfa kroppar

I kristallint fasta ämnen fysikaliska egenskaper varierar i olika riktningar. Men i amorfa kroppar är de lika i alla riktningar. Detta fenomen kallas isotropi .

En amorf kropp leder elektricitet och värme lika i alla riktningar och bryter ljus lika. Ljud färdas också lika i amorfa kroppar i alla riktningar.

Amorfa ämnens egenskaper används i modern teknik. Av särskilt intresse är metallegeringar som inte har en kristallin struktur och är hårda. amorfa kroppar. De kallas metall glasögon . Deras fysiska, mekaniska, elektriska och andra egenskaper skiljer sig från vanliga metaller till det bättre.

Sålunda använder de inom medicin amorfa legeringar vars styrka överstiger titan. De används för att göra skruvar eller plattor som förbinder brutna ben. Till skillnad från fästelement i titan sönderfaller detta material gradvis och ersätts med tiden av benmaterial.

Höghållfasta legeringar används vid tillverkning av skärande verktyg, beslag, fjädrar och mekanismdelar.

En amorf legering med hög magnetisk permeabilitet har utvecklats i Japan. Genom att använda den i transformatorkärnor istället för strukturerade transformatorstålplåtar kan förlusterna minskas med virvelströmmar 20 gånger.

Amorfa metaller har unika egenskaper. De kallas framtidens material.