Доклад на тему «Аморфное тело»

Введение

Лёд в кастрюле на плите тает при нуле градусов, и, пока в воде плавает хотя бы маленькая льдинка, термометр упрямо показывает ноль. Стекло в пламени стеклодува ведёт себя по-другому. Трубка сначала просто нагревается, потом начинает гнуться, потом тянется, как густой мёд, и назвать точный момент, когда она расплавилась, не может даже опытный мастер. На этом простом наблюдении и держится деление твёрдых тел на кристаллические и аморфные, о котором пойдёт речь в докладе.

Аморфные тела окружают нас постоянно, хотя мы редко называем их так. Оконное и бутылочное стекло, янтарь, канифоль, смолы деревьев, многие пластмассы, сахарный леденец, резина — всё это аморфные вещества. Без них невозможно представить ни современную архитектуру со стеклянными фасадами, ни экраны телефонов, ни упаковку продуктов. Поэтому тема доклада не только входит в школьный курс физики, но и объясняет множество бытовых наблюдений.

В учебниках физики аморфным телам обычно отводят один-два абзаца, и у школьника остаётся впечатление, что это какое-то исключение из правил. На самом деле граница между кристаллами и аморфными телами довольно подвижна: одно и то же вещество может существовать в обеих формах. Кварц, например, бывает кристаллическим (горный хрусталь) и аморфным (кварцевое стекло), а сахар может быть кристаллическим песком или прозрачным леденцом.

Цель доклада — объяснить, что такое аморфные тела, чем они отличаются от кристаллических и где применяются. Для этого предстоит решить следующие задачи:

• описать строение аморфных тел и сравнить его со строением кристаллов;
• рассмотреть физические свойства аморфных тел, прежде всего поведение при нагревании;
• привести примеры аморфных веществ в природе и технике;
• показать, как одно и то же вещество может быть и кристаллическим, и аморфным.

Объект исследования — твёрдые тела, предмет — свойства и строение аморфных тел. В работе использованы школьные учебники физики, научно-популярная литература и справочные данные. Главные различия между двумя видами твёрдых тел удобно сравнить по таблице.

Таблица 1 — Сравнение кристаллических и аморфных тел

Глава 1. Строение и свойства аморфных тел

1.1. Чем аморфное тело отличается от кристалла

Слово «аморфный» происходит от греческого ámorphos, что значит «бесформенный». Речь, конечно, идёт не о внешней форме: кусок стекла может быть отлит в виде идеального шара. Бесформенным называют внутреннее строение. В кристалле атомы, ионы или молекулы выстроены в правильную решётку, которая повторяется на миллионы шагов во все стороны, поэтому кристалл поваренной соли под лупой выглядит как набор маленьких кубиков. В аморфном теле такой правильности нет.

Нельзя, однако, сказать, что частицы в аморфном теле разбросаны совсем хаотично. Каждая частица окружена соседями примерно так же, как в кристалле: в кварцевом стекле атом кремния по-прежнему связан с четырьмя атомами кислорода. Но уже на расстоянии нескольких молекул эта упорядоченность теряется. Физики говорят, что у аморфного тела есть ближний порядок, но нет дальнего. По строению аморфные тела напоминают жидкость, которая очень сильно загустела, и поэтому их иногда называют переохлаждёнными жидкостями.

Как возникает такое состояние? Чаще всего его получают быстрым охлаждением расплава. Если охлаждать расплав медленно, молекулы успевают занять места в решётке, и вещество кристаллизуется. Если же охладить его резко, вязкость растёт так быстро, что частицы «застывают» там, где их застал холод. Именно так делают леденцы: горячий сахарный сироп быстро остывает и превращается в прозрачную стекловидную массу, тогда как при медленном охлаждении из того же сиропа выросли бы кристаллы сахара.

1.2. Поведение аморфных тел при нагревании

Самое заметное отличие аморфных тел проявляется при нагревании. У кристалла есть температура плавления: пока весь кристалл не расплавится, подводимая теплота идёт на разрушение решётки, и температура не меняется. Аморфное тело ведёт себя иначе. По мере нагревания оно постепенно становится мягче, затем тягучим и, наконец, жидким, причём на графике зависимости температуры от времени нет горизонтального участка, характерного для плавления кристаллов.

Поскольку определённой температуры плавления нет, для аморфных веществ указывают температуру размягчения, то есть условную точку, при которой вещество начинает заметно деформироваться под собственным весом. У разных веществ она различается в десятки раз. Ориентировочные значения для нескольких известных аморфных материалов показаны на рисунке.

Разница между канифолью и кварцевым стеклом объясняет, почему одни аморфные вещества годятся только для пайки и смычков, а другие для лабораторной посуды, которую нагревают в пламени горелки. Обычное оконное стекло размягчается при температуре около 700 °C, поэтому его можно выдувать и гнуть в мастерской, а кварцевое стекло выдерживает больше полутора тысяч градусов и используется в лампах и печах. При этом обычные бытовые аморфные тела, такие как леденец или смола, становятся мягкими уже от тепла рук или солнечных лучей.

Интересно, что у аморфных тел наблюдается и обратное явление: при низкой температуре они становятся хрупкими. Резиновый мячик, опущенный в жидкий азот, разбивается от удара, как стеклянный. Смола в жаркий день течёт, а зимой колется на куски. Это ещё одно свидетельство того, что аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой вязкостью, которая сильно зависит от температуры.

Наконец, у аморфных тел одинаковые свойства во всех направлениях. Физики называют это изотропией. Кристалл слюды легко расслаивается на тонкие пластинки в одном направлении и с трудом в другом, а у стекла таких «удобных» направлений нет. Поэтому стекло при ударе трескается неправильными изогнутыми линиями и даёт характерный раковистый излом.

1.3. Как аморфное тело превращается в кристалл

Аморфное состояние менее устойчиво, чем кристаллическое, и при подходящих условиях вещество может само перейти в кристалл. Хорошо знакомый пример — засахаривание. Прозрачный леденец, пролежавший несколько месяцев во влажном месте, мутнеет и покрывается белым налётом: на поверхности выросли мелкие кристаллы сахара. То же происходит с мёдом, который со временем густеет и становится зернистым.

Стекло тоже способно кристаллизоваться, но для этого ему нужны высокая температура и много времени. Стеклоделы называют этот процесс расстекловыванием и считают его браком, потому что внутри изделия появляются мутные участки. Иногда же кристаллизацию вызывают нарочно: так получают ситаллы, стеклокерамические материалы, из которых делают варочные панели и детали, выдерживающие резкий перепад температур.

Бывает и обратный переход. Если кристалл кварца расплавить и быстро охладить, получится кварцевое стекло, то есть то же вещество, но в аморфной форме. Похожим образом аморфными становятся многие металлические сплавы, если охлаждать их расплав со скоростью около миллиона градусов в секунду. Такие «металлические стёкла» прочнее и лучше сопротивляются коррозии, чем обычные металлы. Во второй главе будет показано, где эти и другие особенности аморфных тел используются на практике.