Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
отдать предпочтение, то в определенном смысле весь кристалл NaCl следует рассматривать как единую гигантскую молекулу (сверхмолекулу).
В физике под молекулами понимают наименьшие одинаковые структурные образования, сохраняющие свою индивидуальность при разделении вещества на такие мельчайшие части. При таких превращениях вещества, как растворение, плавление, испарение, физические молекулы не разрушаются. Например, в стакане сладкого чая «плавают» молекулы сахара. А вот в соленой воде никаких молекул поваренной соли не существует: все структурные связи NaCl в растворе разрушаются и поваренная соль в растворе существует в виде отдельных положительных ионов Na+ и отрицательных ионов С1~.
• Существует ли какой-то особый вид химических сил, удерживающих атомы в молекулах, или и здесь все сводится к известным в физике фундаментальным взаимодействиям? Если да, то к каким именно?
13. КРИСТАЛЛЫ
105
• Покажите, что энергия, которую нужно затратить для того, чтобы развести на бесконечность ионы Na+ иСГ с расстояния 1,1 нм, составляет 1,4 эВ?
• Поясните аналогию сил притяжения и отталкивания между ионами в молекуле с силами упругости последовательно соединенных пружин разной жесткости. Покажите, что запасаемая в них потенциальная энергия обратно пропорциональна жесткости.
• Чем объясняется пространственная направленность и насыщаемость ковалентных связей?
• По графику зависимости потенциальной энергии двухатомной молекулы от расстояния (рис. 36) постройте качественный график зависимости от расстояния действующей между атомами силы.
• Как выбрано начало отсчета потенциальной энергии на графике U (г), показанном на рис. 36?
• Поясните, почему движение атомов в молекуле при малых смещениях представляет собой гармоническое колебание. Чем определяется частота этого колебания? Как она связана с крутизной кривой U(г) вблизи дна потенциальной ямы?
• Почему при учете ангармонизма колебаний атомов средний размер молекулы увеличивается с ростом энергии колебаний? Где при колебаниях в асимметричной потенциальной яме атомы проводят больше времени: на расстояниях — меньших или больших равновесного значения г0?
• Поясните, где использовался закон сохранения энергии в приведенном в тексте примере косвенного расчета теплового эффекта химической реакции.
• Опишите различие потенциальных кривых для взаимодействия атомов в молекуле и атомов различных молекул.
• Как связать глубину и положение потенциальной ямы для кривой ?/(г), описываемой потенциалом (6), со значениями феноменологических параметров а и Л?
• Опишите различие представлений о молекулах в физике и в химии. §13. Кристаллы
Атомы большинства веществ, находящихся в твердом состоянии, образуют регулярную периодическую решетку. Многие из таких веществ внешне не выглядят как кристаллы, ибо они построены из множества хаотически ориентированных мельчайших кристалликов, т. е. имеют поликристаллическую структуру. К ним относятся многие горные породы, металлы и сплавы. Крупные одиночные кристаллы называются монокристаллами. В природе встречаются монокристаллы различных размеров: от громадных (до сотен килограммов) кристаллов горного хрусталя (кварца, рис. 38), флюорита (рис. 39), полевого шпата до мелких кристаллов алмаза и др.
106 III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
Монокристаллы и поликристаллы. Для многих практических целей кристаллы выращивают в лабораториях. Это так называемые синтетические кристаллы. Наибольшее значение имеют полупроводниковые, пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические кристаллы.
Рис. 38. Друза кристаллов горного хру- ^ис' 39. Кристалл флюорита (СаРг), име-гталя ющий форму октаэдра
Последние годы все большее практическое применение получают так называемые жидкие кристаллы — вещества, сочетающие в себе некоторые свойства жидкостей (текучесть) с определенной пространственной упорядоченностью в расположении молекул, проявляющейся в анизотропии ряда физических свойств, характерной для твердых кристаллов.
По характеру сил связи между атомами или молекулами кристаллы делят на четыре основные группы: ионные, ковалентные, металлические и молекулярные кристаллы.
Геометрия кристаллов. Выросшие в равновесных условиях монокристаллы имеют форму многогранников той или иной симметрии. Грани таких кристаллов плоские, ребра между гранями прямолинейные, углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества постоянные. В этих макроскопических свойствах кристаллов находит свое отражение их регулярное внутреннее строение.
Пространственную структуру кристаллов можно представлять себе как совокупность повторяющихся в пространстве одинаковых элементарных ячеек. Весь макроскопический образец кристалла построен из таких элементарных ячеек подобно тому, как стена построена из одинаковых кирпичей. Благодаря такому строению для кристаллов характерен дальний порядок в расположении атомов, простирающийся на макроскопические расстояния. Этим структура кристаллов отличается от аморфных тел (таких, как смола,
