Строение материалов

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Особым видом существования вещества является плазменное состояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000 °С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатомные (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (N2, O2, Н2, СО2, Н2О, СН4, С2Н6 и т. п.). Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. Под действием внешних энергетических воздействий очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы органических веществ, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок — некоторая закономерность в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, в беспорядке, образуя аморфное тело.

В аморфных телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность свойств — имеют одинаковые физико-химические свойства во всех трех измерениях или, другими словами, не зависят от ориентации системы координат. Материалы с такими свойствами часто называют изотропными. Строение твердых тел, находящихся в аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость.

В кристаллических телах наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения частиц, т. е. частицы размещаются в пространстве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристалл. В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повторяющимся элементом решетки является элементарная (кристаллографическая) ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояние между двумя соседними узлами — периодом или постоянной решетки. Для описания элементарных ячеек пользуются координатными (кристаллографическими) осями х, у, z, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани.