Первоначала вещей(Очерк о строении вещества) - Кудрявцев Борис Сергеевич (читать книги бесплатно txt) 📗
Рис. 57. Пьезоэлектрический излучатель ультразвука.
Жидкости, которые не текут
Наше знакомство с твердыми телами будет неполным, если не упомянуть о твердых телах, не имеющих правильной формы, характерной для кристаллов.
Взгляните на кусок оконного стекла. Специальной машиной ему придана хорошо знакомая нам форма тонкой пластинки. Если разбить кусок стекла, то среди осколков не удастся обнаружить правильных кристаллов. Очевидно, частицы стекла не расположены в таком строгом порядке, как частицы, образующие кристаллы. Современная наука подтверждает это заключение.
Тела, которые по своим механическим свойствам являются твердыми телами, но частицы которых расположены недостаточно упорядоченно для того, чтобы образовать кристаллы, называют аморфными телами.
Почему же возникают аморфные тела?
Ответ на этот вопрос мы, по существу, уже знаем: иногда при охлаждении жидкостей их вязкость настолько возрастает, что они теряют текучесть и по механическим свойствам уподобляются твердым телам.
Большая вязкость мешает частицам занять строго упорядоченное положение, характеризующее кристалл. Чем больше вязкость жидкости, тем труднее она кристаллизуется. Вязкость чистого глицерина более чем в тысячу раз превосходит вязкость воды. Кристаллизация глицерина происходит с большим трудом. Именно поэтому глицерин вплоть до второй половины XIX века был известен только как жидкость, хотя открыли его еще в XVIII веке.
Практически, для того чтобы получить кристаллический глицерин, в жидкость необходимо ввести несколько кристалликов его, которые послужат затравкой.
В 1867 году в Лондон из Вены привезли бочки с глицерином. Открывавшие бочки чиновники были озадачены: вместо ожидаемой жидкости бочки оказались наполненными неизвестными кристаллами. Как показал анализ, это были кристаллы глицерина, возникшие благодаря редкой комбинации движений при качке судна, перевозившего бочки. Движение судна, морская качка помогли молекулам улечься в порядке, характерном для кристалла.
Однако подобное стечение обстоятельств очень мало вероятно, и потому самопроизвольную кристаллизацию глицерина наблюдали с тех пор всего два-три раза.
При низких температурах кристаллическая форма тел более устойчива, чем аморфная; поэтому многие аморфные тела сами по себе очень медленно переходят в тела кристаллические. В стекле такой переход вызывает помутнение, а иногда и растрескивание, и известен многим из обыденной жизни. Он называется «расстекловыванием». Подобный же процесс наблюдается в аморфном сахаре, называемом «карамелью». Когда карамель самопроизвольно кристаллизуется, говорят, что она «засахаривается».
Аморфными телами являются получившие в последнее время большое распространение как в быту, так и в технике различные пластические массы.
Часто одно и то же тело может существовать как в виде кристалла, так и в виде аморфного тела.
Если расплавить кристалл кварца и затем охладить образовавшуюся жидкость, то при этом возникнут не кристаллы кварца, а аморфное кварцевое стекло.
Кварцевое стекло не обладает пьезоэлектрическим эффектом. Его свойства одинаковы во всех направлениях.
В расположении частиц, образующих аморфное тело, упорядоченность ограничивается, так же как и у жидкостей, лишь ближайшими соседями каждой из частиц.
Горный хрусталь, кварцевое стекло и многие другие вещества являются соединением атомов двух различных элементов. Если условиться изображать атомы одного из этих элементов черными кружками, а атомы другого — белыми, то соотношение в расположении частиц в кристаллическом и аморфном твердых телах можно упрощенно пояснить рисунком 58.
Рис. 58: а — строение кристалла, б — строение аморфного стекла.
Слева на рисунке представлено расположение атомов в кристаллах, а справа — в стекле. Мы видим, что порядок, наблюдаемый в расположении атомов в кристалле, нарушается при превращении последнего в стекло. Однако полностью порядок в стекле не исчезает. Возле каждого атома, взятого в отдельности, порядок сохраняется неизменным, но он оказывается нарушенным, если рассматривать все твердое тело целиком.
Отсутствие совершенного, характерного для кристаллов порядка приводит к тому, что у аморфных тел свойства не зависят от направления. В этом отношении аморфные тела напоминают жидкости.
Еще о движении частиц
Может показаться, что в кристаллическом теле, где господствует полный порядок, где каждая частица занимает определенное место, нельзя говорить о движении частиц. Однако это не так. И в кристаллах частицы находятся в вечном движении.
Какое же движение могут совершать частицы, занимающие неизменное положение?
Многие из вас помнят детскую загадку: «Что весь день идет, а с места не сходит?» Разгадка — «часы».
Действительно, взгляните, например, на часы-ходики. Неутомимо снует взад-вперед маятник ходиков, отсчитывая время. Вправо, влево, снова вправо и снова влево движется укрепленный на маятнике кружок.
Так же, как маятник, колеблются бесчисленные частички, образующие кристалл.
При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул.
Правда, и в этом случае фотография получится, вероятно, несколько «смазанной», подобно тем неудачным снимкам, которые так огорчают новичков, пытающихся фотографировать движущиеся предметы с сравнительно большой экспозицией.
Если мы подсчитаем путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отрезки, пройденные при отдельных колебаниях, совершенных ими за это время, то заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, следовательно, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.
Таким образом, и в твердых телах, так же как и в жидкостях и в газах, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной «тепловой материи»; мы можем вместе с Ломоносовым сказать: «теплота состоит во внутреннем движении материи».
Итак, если у газов молекулы, в зависимости от их строения, могут двигаться или только поступательно, или же сочетая поступательное движение с вращением, то частицы твердых тел только колеблются.
Это единообразие движения частиц всех твердых тел должно сказаться на их теплоемкости.
Опираясь на учение об атомах, можно предположить, что если взять различные твердые тела в таких количествах, чтобы все они содержали одинаковое число атомов, то их теплоемкости будут одинаковыми. Как показывает опыт, при не слишком низких температурах это предположение полностью оправдывается. При одинаковом числе атомов в твердых телах их теплоемкости одинаковы.
Частицы твердых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких «кочующих» частиц невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.
При повышении температуры количество «кочующих» частиц в твердом теле возрастает.
Каждой «кочующей» частице соответствует пустующий узел в кристаллической решетке. Чем больше частиц ведет «кочевой» образ жизни, тем больше в кристаллической решетке узлов, не занятых частицами.
С повышением температуры, с одной стороны, увеличивается частота и размах колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку, а с другой — растет количество пустующих узлов. Это приводит к тому, что при какой-то определенной достаточно высокой температуре порядок частиц, свойственный кристаллу, нарушается, кристаллическая решетка перестает существовать, твердое тело плавится, превращаясь в жидкость.
