Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Капиллярные явлении Если поместить узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости в капилляре становится значительной. Если жидкость смачивает материал трубки, то внутри ее поверхность жидкости — мениск — имеет вогнутую форму, если не смачивает — выпуклую (рис.
101). Под вогнутой поверхностью жидкости появится отрицательное избыточное давление, определяемое по формуле (68.2). Наличие этого давления приводит к тому, что жидкость в капилляре поднимается, так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приведет к опусканию жидкости в капилляре. Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью. Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту й, при которой давление столба жидкости (гндростатическое давление) ря)г уравновешивается избыточным давлением бр, т. е.
2а/Р=рдд, где р — плотность жидкости, д — ускорение свободного падения. Если г — радиус капилляра, 6 — краевой угол, то из рис. 101 следует, что (2а соз 6)/г= рай, откуда й =(2а соз О)/(ряг). (69.! ) В соответствии с тем, что смачивающая жидкость по капилляру поднимается, а несмачивающая — опускаегся, из фор- ГК ипил минчс!кпи( и Фи ~ики и и Пчи!ни. чи,,и мулы (69.1) при 0(п/2 (соз 0) О) получим положительные значения и, а при 0)я/2 (соз 0~0) — - отрицательные Из выражения (69.1) видно также, что высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу.
В тонних капиллярах жидкость поднимается достаточно высоко. Так, при полном смачивании (0=0) вола (и= 1000 кг,'м', п=0,073 Н/м) в капилляре диаметром !О мкм поднимается на высоту Ь=З ль Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Например, влагообмен в почве и в растениях осуществляется за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам.
На капиллярности основано действие фитилей, впитывание влаги бетоном и т, д. 970. Твердые тела. Моно- и полнкристаллы Твердые тела (кристаллы) характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но н форму.
Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая, как показали рентгенографические исследования немецкого физика-теоретика М. Лауэ (1879- 1960), является результатом упорядоченнога расположения частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих кристалл. Структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторнемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, н которых расположены частицы, а точнее точки, относительно которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки. Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку, Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме.
Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы меж- ду соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М. В. Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономернын размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов.
Однако крупные природные моиокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпаг). В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно. Условия роста крупных монокристаллов (чистый раствор, медленное охлаждение и т. д.) часто не выдерживаются, поэтому большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые тела называются поликристаллами (многие горные породы, металлы и сплавы). Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропностлч т. е.
зависимость физических свойств— уцрул их, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптичесннх — от направления. Аннзотропня монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки (рис. 102), т. е.
плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная ОЕЭ ° Ф ° Э Э 9 ° ° 9 $9 ° 9 ° <Э 1 9 ° 9 ® ° (лй ° 91 ФЭ ° (в Ф чм ° 9 ° йв Щи 1Од 1 л е н з 1П Реельные газы, кмдкегэм и тме(нпые ма» 1!7 ориентация приводит к тому, что свойства полнкристалла по всем направлениям в среднем одинаковы. $ 71. Типы кристаллических твердых тел Существует два признака для классификации кристаллов: 1) крнсталлографический; 2) физический (природа частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характер сил взаимодействия между ними).
!. Крнсталлографический прязнак кристаллов. В данном случае важна только пространственная периодичность в расположении частиц, поэтому можно отвлечься от их внутренней структуры, рассматривая частицы как геометрические точки. Кристаллическая решетка может обладать различными видами симметрии. Симметрии кристаллической решетки— ее свойство совмещаться с собой прн некоторых пространственных перемепгениях, например параллельных переносах, поворгггах, отражениях или их комбинациях и т, д, Кристаллической решетке, как доказал русский кристаллограф Е. С. Федоров (!853-.
1919), присугци 230 комбинаций элементов симметрии, или 230 различных пространственных групп. С переносной симметрией в трехмерном пространстве связывают понятие трехмерной периодической структуры— пространственной решетии, или решетки Брава, представление о которой введено французским кристаллографом О. Брава (!811 — !863). Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента— элементарной ячейки. Всего существует 14 типов решеток Бравэ, различающихся по виду переносной симметрии. Они распределяются по семи кристаллографическим системам, нли сингониям, представленным в порядке возрастающей симметрии в табл.
3. Для описании элементарных ячеек пользуютсн кристаллографнческими осями координат, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на ребрах а, Ь, с с углами а, () и у между ребрами (табл. 3). Величины а, Ь н с и и, () и у называются параметрамн элементарной ячейки и однозначно ее определ н ют.
Таблица 3 Крметейла- графмэе- екэм система Ферме элеменеьймай «мейки Характеристике элемеееермей ямейке е м —.г б Ь Триклин- иак а~Ьэьс, аФЬФу а~Ьэьс, а=0=90 Фу . г — — „- ~ — ч---г" 1 в Ь Моно- клиимая ,г †- — м ! с б ! — — т-4 Ь а ~ Ь -ь с, а=в=у=90' Ромби- ческая а=й~с, =Р=у=чо. Тетраго- нальная а=й=г, а=й=уФ90' Ромбоэдрическая (трмгоиальийк) Г 7 -г l ./ -е= = ! Гексаго- вальиая а=ЬМе, а = Р = 90, у =-60" Кубиче- ская а=й=с, ее = Р =- у = 90' 2 Основы молекулярной фип~ки и тсрчолипачихп 2.
Физический признак кристаллов. В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяются на четыре типа: ионные, атомные, металлические, молекулярные. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются поочередно ионы противоположного знака. Типичными ионными кристаллами являются большинство галоидных соединений щелочных металлов (ХаС(, СэС(, КВг и т. д.), а также оксидов различных элементов (МцО, СаО и т.
д.). Структуры решеток двух наиболее характерных ионных кристаллов -- (х)аС! (решетка представляет собой две одинаковые гранецентрированные кубические решетки, вложенные друг в друга; в узлах одной из этих решеток находятся ионы )х)а ~, в узлах другой ионы С!) и СзС! (кубическая объемно центрированная решетка— в центре каждой элементарной решетки находится ион) — показаны на рис. !03. Силы взаимодействия между ионами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения между разноименно заряженными ионами, называется ионной (или гетерополярной) В ионной решетке нельзя выделить отдельные молекулы: кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу. Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся в узлах решетки гомеополярными, или ковалеитнымн, связями квантово-механического происхождения (у соседних атомов обобществлены валентные электроны, наименее связанные с атомом).
Атомными кристал- сг сзс! нас! Рис. !ОЗ Рнс. !04 лами являются алмаз и графит (два различных состояния углерода), некоторые неорганические соединения (Хпб, ВеО и т, д.), а также типичные полупроводники — германий Ое и кремний В!. Структура решетки алмаза приведена иа рис !04, где каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, которые располагаются на одинаковых расстояниях от него в вершинах тетраэдров.
Валеитные связи осуществляются парами электронов, движущихся по орбитам, охватывающим оба атома, и носят направленный характер: ковалентные силы направлены от центрального атома к вершинам тетраэдра, В отличие от графита решетка алмаза не содержит плоских слоев, что не позволяет сдвигать отдельные участки кристалла, поэтому алмаз является прочным соединением. Металлические кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются положительные ионы металла.
При образовании кристаллической решетки валентные электроны, сравнительна слабо связанные с атомами, отделяются от атомов и коллективизируются: они уже принадлежат ие одному атому, как в случае ионной связи, и ие наре соседних атомов, как в случае гомеополярной связи, а всему кристаллу в целом.
Таким образом, в металлах между положительными ионами хаотически, подобно молекулам газа, движутся «свободные» электроны, наличие которых обеспечивает хорошую электропроводность металлов. Так как металличе- 1 ~ в в в 1О Рсввыи,ы свзм, и,ивиасти и тверды 1сав 1Ш а) рвс. !06 Рис. 105 ская связь не имеет направленного действия и положительные ионы решетки одинаковы по свойствам, то металлы должны иметь симметрию высокого порядка. Действительно, большинство металлов имеют кубическую объемно центрированную () 1, )т)а, К, ВЬ, Сз) и кубическую гранецентрированную (Сп, Ап, Р1, Ап) решетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
