1. Будова та властивості твердих тіл

Структурно аморфні тіла дуже близькі до рідин. Молекули, атоми, йони аморфних тіл взагалі розташовані хаотично, і тільки всередині невеликих локальних груп, які містять усього кілька частинок, вони розташовані в певному порядку (ближній порядок). Фізичні властивості аморфних тіл (теплопровідність, електропровідність, міцність, оптичні властивості тощо) однакові в усіх напрямках — аморфні тіла ізотропні.

 

Ізотропія (від грец. isos — рівний і tropos — напрямок, властивість) — незалежність фізичних властивостей від напрямку, обраного в тілі.

 

Прикладами аморфних тіл можуть бути скло, різні затверділі смоли (янтар), пластики тощо. Аморфні тіла певний час зберігають свою форму, однак унаслідок тривалого впливу вони течуть. Якщо аморфне тіло нагрівати, то воно м’якшає поступово і його перехід у рідкий стан займає значний інтервал температур.

 

У кристалічних тілах частинки речовини (атоми, молекули, йони) розташовані в чітко визначеному порядку. Якщо з’єднати центри положень рівноваги частинок кристалічного тіла, то вийде правильна просторова ґратка, яку називають кристалічною. Доведено, що існує \(230\) типів кристалічних ґраток. Наприклад, у кристалі полонію йони Полонію розташовані у вершинах куба, утворюючи просту кубічну ґратку(а). Йони чистого Феруму за кімнатної температури теж розміщені у вершинах куба, крім того, один йон розташований у центрі куба — це об’ємноцентрована кубічна ґратка(б). Якщо нагріти залізо до \(906\) °С, то розташування йонів Феруму раптом зміниться —ґратка перебудується. Центральні йони змістяться, а в середині кожної грані куба з’явиться додатковий йон, — це гранецентрована кубічна ґратка(в). У такій ґратці частинки впаковані щільніше, ніж в об’ємноцентрованій кубічній. Щільне пакування спостерігається
також у гексагональній кристалічній ґратці(г).

 

Багато кристалічних речовин мають однаковий хімічний склад, однак через різну структуру кристалічних ґраток відрізняються своїми фізичними властивостями. Таке явище називають поліморфізмом, а перехід із однієї кристалічної структури в іншу — поліморфним переходом. Наприклад, у виробництві штучних алмазів викристовують поліморфний перехід графіту в алмаз. Цей перехід відбувається за тисків \(60\) тис. — \(100\) тис. атмосфер і за температур \(1800–2300\) °С. І навпаки: у результаті нагрівання у вакуумі до температури близько \(1500\) °С алмаз перетворюється на графіт.

 

 

Кристалічні тіла можуть бути монокристалами і полікристалами. Монокристал — тверде тіло, частинки якого утворюють єдину кристалічну ґратку. Упорядковане розташування частинок
у монокристалі є причиною того, що монокристали мають плоскі грані та незмінні кути між гранями; фізичні властивості монокристалів залежать від обраного в них напрямку.

 

Так, механічна міцність багатьох кристалів різна в різних напрямках: шматок слюди легко розшаровується на тонкі пластинки в одному напрямку, але його набагато складніше розламати перпендикулярно до пластинок. Від напрямку, обраного в кристалі, залежать його теплопровідність, електропровідність, заломлення, прозорість, лінійне розширення та багато інших фізичних властивостей. Анізотропія кристалів зумовлена їх кристалічними ґратками: в різних напрямках відстані між частинками, що утворюють кристалічну ґратку, різні. Великі монокристали рідко зустрічаються в природі. Найчастіше кристалічні тверді тіла, в тому числі отримані штучно, є полікристалами.

 

Полікристали — тверді тіла, які складаються з багатьох хаотично орієнтованих маленьких кристаликів, що зрослися між собою (кристалітів). На відміну від монокристалів полікристалічні тіла ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямках. Полікристалічну будову твердого тіла можна виявити за допомогою мікроскопа, а іноді її видно й не озброєним оком (чавун). Більшість металів, які використовує людина, є полікристалами.

 

У рідині частинки в цілому розташовані хаотично та можуть вільно обертатись і переміщуватись у будь-яких напрямках; у кристалічному твердому тілі існує тривимірний далекий порядок і частинки можуть лише коливатися біля положень рівноваги. У рідкому кристалі є певний ступінь упорядкованості в розташуванні молекул, але й допускається деяка свобода їх переміщення.

 

Найчастіше рідкокристалічний стан спостерігається в органічних речовин, молекули яких мають видовжену або дископодібну форму. Залежність оптичних властивостей рідких кристалів від температури та електричного поля забезпечила їх широке застосування в дисплеях годинників і калькуляторів, у персональних комп’ютерах, плоских телевізійних екранах; їх використовують у медицині (наприклад, як індикатори температури) тощо. Так, кут повороту осей молекул у кожному шарі холестеричного рідкого кристала залежить від температури, а від кута повороту залежить забарвлення кристала, тому якщо тонку полімерну плівку з мікропорожнинами, заповненими холестериком, накласти на тіло, то вийде кольорове відображення розподілу температури.

 

Якщо після припинення дії зовнішніх сил тіло повністю відновило свої форму і розміри, то воно зазнало пружної деформації; якщо форма і розміри не відновилися, тіло зазнало пластичної деформації. Коли тіло деформується, окремі його частини зміщуються одна відносно одної. За характером зміщення частин розрізняють деформації: розтягнення (стиснення), вигину, зсуву, кручення.

 

Коли тіло деформується, його стан змінюється: у будь-якому перерізі тіла виникають сили пружності, що перешкоджають руйнуванню; чим більше деформоване тіло, тим більшими є сили пружності. Стан деформованого тіла характеризується механічною напругою.
$\mathrm{\sigma }=\frac{F}{S}$

 

Одиниці вимірювання механічної напруги —Паскалі (Па).

 

Установлено, що механічна напруга залежить від відносного видовження тіла. 

$\mathrm{ϵ}=\frac{\mathrm{\Delta }l}{l_0}$ або $\mathrm{ϵ}=\frac{\mathrm{\Delta }l}{l_0}\cdot 100\%$

 

Залежність механічної напруги від відносного видовження встановлюють експериментально. Зразок витягують за допомогою спеціальної розривної машини, поступово збільшуючи навантаження. Досліди показують, що за невеликих деформацій виконується закон Гука:

 

 

В даному випадку закон Гука записаний через механічну напргугу і модуль Юнга(модуль пружності). Максимальна механічна напруга(межа міцності) і модуль Юнга табличні величини, для кожної речовини вони пораховані і наведені деякі з них:

Речовина	σ,МПа	Е,ГПа
Алюміній	100	70
Латунь	50	100
Свинець	15	17
Срібло	140	80
Сталь	500	210

Дуже часто в практичних задачах зустрічається поняття запасу міцності, це відношення максимальної механічної напруги в тілі до фактичної: $n=\frac{{\mathrm{\sigma }}_{\mathit{max}}}{\mathrm{\sigma }}$