«Создание и применение композиционных материалов в быту и строительстве» (стр. 2 из 6)

Кристаллы одного и того же вещества могут иметь разнообразную форму, так и кристалл, имея определенную пространственную решетку, может иметь различную форму. Кроме того, она позволяет объяснить закон постоянства углов.

Плодотворность представления внутреннего строения кристалла в виде пространственной решетки наиболее наглядно проявляется в объяснении симметрии кристаллов. Все разнообразие видов симметрии кристаллов может быть доказано на основе симметрии пространственных решеток [1, c.17].

Представление о пространственной решетке кристалла оставалось гипотезой до 1912 г., когда были получены первые экспериментальные данные.

Подтверждение правильности представления о внутреннем строении кристаллов стало возможным после открытия в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей.

В 1912 г. другой немецкий физик Макс Лауэ предложил использовать эти лучи для внутреннего строения кристаллов. Узких пучок лучей пропускают через монокристалл (рис.1). За монокристаллом расположена фотопластинка, завернутая в черную бумагу. После ее проявления, кроме центрального пятна – следа рентгеновских лучей, рис.1 прошедших через монокристалл без отклонения, видны пятна, которые получены в результате рассеяния лучей от атомных плоскостей кристалла (рис.2). В расположении частиц в кристалл есть определенная закономерность. Специалист по этой рентгенограмме определит порядок симметрии оси в кристалле и рассчитает ряд других параметров.

Все кристаллы можно отнести к четырем видам: ионным, молекулярным, атомным и металлическим.

Ионная связь достаточно сильно скрепляет частицы рис.2

вещества в кристалле, поэтому они отличаются прочностью. Ионные кристаллы обладают плохой тепло – и электропроводностью. В них нельзя выделить отдельные молекулы. Каждый положительный ион одинаково сильно связан со всеми окружающими его отрицательными ионами.

В узлах решетки молекулярных кристаллов лежат молекулы с неполярной ковалентной связью. Молекула в отдельные моменты времени представляет собой электрический диполь. Диполи взаимно притягивают друг друга или отталкивают друг друга.

В основе ковалентной связи в атомных кристаллах лежит «спаривание» их внешних электронов с образованием полностью заполненной валентной электронной оболочки. Атомные кристаллы обладают большой твердостью, высокой температурой плавления.

Атом любого металла имеет незаполненную валентную электронную оболочку. При сближении атомов металла каждый из них готов предоставить электронам возможность занять незаполненные места в электронной оболочке. При соединении двух атомов металла электроны их получают возможность двигаться вблизи любого из атомов. При соединении следующих атомов металла возможности электронов перемещении возрастают.

В кристаллах молекулы обладают энергией. Силы притяжения и силы отталкивания зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, равном приблизительно сумме радиусов атомов, сила отталкивания равна силе притяжения, и результирующая сила становится равной нулю.

Сейчас стоит объяснить свойства, такие, как расширение тел при нагревании, теплопроводность и теплоемкость, на основе структуры твердых тел, взаимодействия движения частиц, из которых они состоят [1, c.32].

Прежде всего, рассмотрим колебательное движение. Под колебательным движением понимают такое движение или изменение состояния, при котором значения физических величин, характеризующих это состояние или движение, определенным образом повторяются во времени. Колебательное движение можно охарактеризовать такими величинами, как полное колебание – движение маятника от точки В до точки С и обратно (рис.3), амплитуда – наибольшее отклонение маятника положения равновесия (точки А), период – время одного полного колебания, частота – число колебаний за 1 сек.

Такие колебания, которые происходят под действием внутренних сил, после того, как маятник выведен из состояния

рис.3 равновесия, называют свободным. Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называют вынужденными. Распространение колебаний в пространстве представляет собой волновое движение. Каждая волна характеризуется длиной волны. Длина волны – расстояние, на которое распространяются колебания за время, равное одному периоду колебаний.

Все вещества в природе состоят из большого числа маленьких частиц и находятся в хаотическом, тепловом движении. Взаимодействующие частицы обладают взаимной потенциальной энергией. Состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия между ними и наименьшее значение их взаимной потенциальной энергии. Потенциальная энергия (энергия связи) характеризует прочность связи частиц. Таким образом, движение частиц твердого тела можно считать колебательным движением.

Все тела при нагревании расширяются. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. Среднее расстояние между двумя соседними атомами не изменяется, следовательно, увеличение амплитуды колебаний при повышении температуры не ведет к тепловому расширению. Силы, действующие между частицами твердого тела, не являются упругими. Этот факт является причиной теплового расширения. При возрастании температуры увеличиваются расстояния между узлами кристаллической решетки, т.е. происходит тепловое расширение тела.

Твердые тела обладают теплоемкостью. Теплоемкость тела показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия при изменении температуры на один градус. Внутренняя энергия неметаллических кристаллических тел складывается из кинетической энергии колебательного движения частиц, находящихся в узлах решетки, и энергии их взаимодействия.

Теплоемкость твердого тела обусловлена теплоемкость его кристаллической решетки, движением свободных электронов. При комнатной температуре электроны практически не влияют на величину теплоемкости металлов, т.е. они незначительно изменяют свою энергию при нагревании на один градус.

Теплоемкость твердых тел не зависит от температуры. Однако опыты показывают, что на самом деле теплоемкость твердых тел уменьшается с понижением температуры и стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Здесь на помощь приходит квантовая теория теплоемкости А. Эйнштейна.

Согласно этой теории, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, колеблются независимо друг от друга с одинаковой частотой, равной примерно 10¹³ Гц. Энергия колеблющегося атома излучается порциями. Эта теория была уточнена П. Дебаем. А. Эйнштейн считал, что атомы в узлах кристаллической решетки колеблются независимо друг от друга и частота их колебаний одинакова.

Твердые тела обладают теплопроводностью. Теплопроводностью называют перенос тепла от одного тела к другому или от одной части тела к другой. Это явление возникает, если тела, приведенные в контакт, или различные части одного и того же тела имеют неодинаковую температуру. Процесс теплопроводности сводится к выравниванию температур различных частей тела. При этом некоторое количество теплоты передается от более нагретой части тела к менее нагретой.

Каждое вещество характеризуется своим коэффициентом теплопроводности, поэтому очевидно, что его величина зависит от внутреннего строения вещества. Теплопроводность металлов носит в основном электронный характер, следовательно, чем больше электронов учувствует в переносе тепла, тем больше коэффициент теплопроводности; чем больше эти электроны движутся, тем большее количество теплоты может быть перенесено за единицу времени; чем дольше электроны могут двигаться без столкновений, тем коэффициент теплопроводности больше. Он также зависит от удельной теплоемкости вещества твердого тела.

Развитие теории строения твердого тела внесло существенные коррективы в учение о механических свойствах металлов и способствовало дальнейшему и более эффективному развитию этого учения [1, c.50].

Твердые тела обладают механическими свойствами. При механической обработке материалов изменяется форма или объем тел, т.е. тела деформируются.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называют упругими деформациями. Свойство материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием внешних сил деформируются, а после снятия этого действия восстанавливают свою форму и объем, называют упругостью.

Деформации, остающиеся в теле после прекращения воздействия на него других тел, называют остаточными деформациями. Остаточная деформация характеризует свойство материала, называемое пластичностью. Упругость и пластичность присущи всем твердым телам.

Различают следующие виды упругих деформаций, возникающих в телах: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение изгиб.

Растяжение испытывают в процессе эксплуатации канаты, цепи в подъемных устройствах и др.

Сжатию подвергаются фундаменты домов, колонны, стены и др.

Деформация сдвига возникает в начальной стадии процесса резания на строгальном станке.

Деформации кручения подвергаются валы машин, оси и др.

Изгиб происходит при действии на один конец стержня других тел, когда второй

конец стержня закреплен.

Только часть механических свойств можно более или менее объяснить, исходя из модели идеального кристалла. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что причина расхождения теоретических расчетов и экспериментальных результатов заключается в несовершенстве кристаллической решетки [1, c.56].

Таким образом, некоторые механические свойства материалов не связаны со структурными несовершенствами. Эти свойства иначе называют структурно-нечувствительными свойствами. Те же механические свойства, которые тесно связаны со структурными несовершенствами кристаллов, или, как говорят, с дефектами кристаллов, называют структурно-чувствительными свойствами.