Урок по физике по теме Строение и свойства кристаллических и аморфных тел

Тема: Строение и свойства кристаллических и аморфных тел. (10 класс).

Цель урока: Рассмотреть особенности строения и свойства кристаллических и аморфных тел.

Демонстрации:

1. Набор кристаллических тел.

2. Набор моделей кристаллических решеток.

3. Применение интерактивной доски.

Ход урока:

I. Изучение нового материала.

1. Твердые тела.

2. Свойства твердых тел.

3. Кристаллические тела.

4. Анизотропия кристаллов.

5. Монокристаллы и поликристаллы.

6. Свойства кристаллов.

7. Аморфные тела.

8. Свойства аморфных тел.

9. Применение кристаллов.

Твердые тела - это тела, находящиеся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Большинство окружающих нас тел - вещества в твердом состоянии. Специальная область физики занимается изучением строения и свойств твердых тел. "Физика твердого тела"- эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы.

Вещества называют твердыми, если они сохраняют свою форму и объем, т. е. внешние признаки.

Кристаллы - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Однако правильная внешняя форма не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное - это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. ( От греческих слов «анизос» - неравный, «тропос» - направление ).

Кристаллические тела

Монокристаллы - Поликристаллы -

Одиночные кристаллы тела состоящие из большого числа

(кварц, алмаз ). маленьких кристалликов (металлы, сахар).

Свойства:

1. Температура плавления const.

2. Каждое вещество имеет свою температуру плавления..

Анизотропия - зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.

Изотропия - одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Аморфные тела (от греческого «морфе» - форма и частица «а», имеющий смысл отрицания ) занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

Аморфные тела:

1 .Не имеют постоянной температуры плавления.

2 .Не имеют кристаллического строения.

3. Изотропны.

4. Обладают текучестью.

5. Имеют только «ближний порядок» в расположении частиц.

6. Способны переходить в кристаллическое и жидкое состояние.

Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.

В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

Аморфные тела изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

Типы кристаллов:

1. атомные;

2. металлические;

3. ионные;

4. полупроводниковые;

5. молекулярные.

Свойства твердого вещества зависят не только от того, какой у них тип кристаллической решетки. Вещества, сходные по типу элементарных кристаллических ячеек, могут иметь разный характер. Блестящий серебристо-белый титан, к примеру, может кристаллизоваться в гексагональной структуре, напоминающей черно-серый графит, и в объемно-центрированной, как и розоватый натрий.

Большую роль играет также тип связи между компонентами, составляющими тот или иной кристалл, а также особенности структуры их атомов. Силы взаимодействия между частицами в решетках влияют на физико-химические свойства твердого тела. По характеру взаимодействия между частицами в решетках кристаллические вещества можно разделить на несколько групп.

Атомные кристаллы. В узлах решеток - нейтральные атомы элементов, связанные за счет обобществления валентных электронов (например, алмаз).

Металлические кристаллы. В узлах решетки - ионы одного и того металла, связанные между собой за счет полусвободных электронов, находящихся в общей для всех ионов зоне проводимости.

Ионные кристаллы. В узлах решеток расположены разноименно заряженные ионы, электростатическое притяжение которых определяет характер твердого тела (например, КС1, NaCI).

Полупроводниковые кристаллы. По характеру связи занимают промежуточное положение между атомными и ионными (например, Сu₂O).

Молекулярные кристаллы. В узлах решеток - нейтральные молекулы, образующие решетку за счет сил межмолекулярного взаимодействия (например, металлический галлий или твердый СО₂).

Цветом обладают, однако, не только кристаллические вещества. Жидкости и газы извлекают лучи из посылаемого на них света и сигнализируют окраской о своем присутствии. Так, например, проводится анализ состава атмосферы далеких планет. Чтобы понять различия в возникновении цвета металлов, неметаллов и других неорганических веществ, надо уяснить разницу в состоянии электронов в атомах и молекулах, составляющих эти вещества.

II. Применение кристаллов

1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях - это бриллианты.

2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов - транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных микроприборов - порядка 10^-6 м.

В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10^-9-10^-10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до -269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».

6. Вольфрам и молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц. Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы - это горный хрусталь, фиолетовые - аметист, дымчатые - раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике - в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

3. Закрепление знаний, умений, навыков.

1. Два кубика - один из оконного стекла, другой из монокристалла кварца - опущены в горячую воду. Сохранят ли они свою форму?

2. Как исходя из кристаллической структуры твердых тел (например на модели пространственной решетки хлористого натрия) объяснить свойство анизотропии?

Домашнее задание: §