a) kinetyczno-molekularny model budowy materii

Transkrypt

1 Joanna Sowińska: Elementy tworzące świat i ich wzajemne oddziaływanie a) kinetyczno-molekularny model budowy materii Teorii kinetyczno-molekularnej zawdzięczamy specjalne, "mikroskopowe" ujęcie zjawisk zachodzących w otaczającym nas świecie. Teoria ta opiera się na następujących założeniach ogólnych: 1. Ciała mają budowę nieciągłą; składają się z drobnych elementów w postaci atomów lub cząsteczek (molekuł) 2. Wymienione elementy są w ciągłym ruchu. Wartości liczbowe i kierunki prędkości poszczególnych elementów są różne. 3. Pomiędzy poszczególnymi elementami budowy ciał występują siły wzajemnego oddziaływania. Założenie pierwsze, dotyczące atomowej budowy materii, sięga swymi pierwszymi koncepcjami aż do czasów starożytnych (Demokryt, Epikur, Lukrecjusz), były to jednak w owym czasie tylko pewne spekulacje filozoficzne, oparte na danych doświadczalnych. Założenie to zostaje ponownie wysunięte w XVII w. i następnie, dzięki pracom licznych badaczy (Boyle, Bernoulli, Dalton, Maxwell i in.) przekształca się w poważną hipotezę naukową. Założenie drugie znajduje potwierdzenie w licznych faktach doświadczalnych, jak np. w zjawisku rozprężania się gazów, w zjawisku dyfuzji, w ruchach Browna. Założenie trzecie dotyczy oddziaływań międzycząsteczkowych, które w dużym stopniu zależą od wzajemnych odległości między cząsteczkami i gwałtownie maleją ze wzrostem tych odległości. Siły międzycząsteczkowe to typowe siły tzw. Krótkiego zasięgu: duże przy odległościach mniejszych od ok m, znikające praktycznie przy odległościach rzędu 10-9 m. Ujęcie właściwości gazów z punktu widzenia teorii kinetycznej przedstawia się najprościej z tego względu, że dzięki stosunkowo dużym średnim odległościom międzycząsteczkowym w gazie można w pierwszym przybliżeniu zaniedbać siły wzajemnego oddziaływania cząsteczek. Właśnie dzięki temu w dalszych rozważaniach można założyć, że każda cząsteczka gazu porusza się swobodnie (bez działania sił) aż do momentu zderzenia z inną cząsteczką albo ze ścianka naczynia. Stąd wniosek, że odcinki drogi między kolejnymi zderzeniami są przebywane ruchem jednostajnym prostoliniowym. Cząsteczki podczas zderzeń zmieniają swe prędkości. Zderzenia cząsteczek gazowych można traktować jako zderzenia doskonale sprężyste. Średnia długość prostoliniowego przebiegu między dwoma zderzeniami, wyliczona z bardzo wielkiej liczby przelotów, nosi nazwę średniej drogi swobodnej. Liczba zderzeń przypadających na sekundę jest bardo duża, odpowiada miliardom. Średnia droga swobodna cząstki gazu to średnia odległość pomiędzy punktami kolejnych Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 1

2 zderzeń cząstek. Droga ta zależy od rozmiarów cząsteczek i od ich liczby w jednostce objętości. Doświadczenia potwierdzające kinetyczno molekularną teorię budowy materii. DYFUZJA Dyfuzja jest to proces, w którym następuje mieszanie się substancji na skutek przypadkowego ruchu ich składników tj.: atomów, cząsteczek i jonów. W gazach wszystkie składniki mieszają się idealnie i mieszanina w efekcie staje się jednorodna, (jednorodność jest w niewielkim stopniu naruszana grawitacją). Dyfuzja substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku jest wolniejsza od procesu dyfuzji w gazach, chociaż charakter procesu jest bardzo podobny. W ciałach stałych natomiast w temperaturze pokojowej dyfuzja zachodzi bardzo wolno. Mechanizm molekularny dyfuzji może być łatwo zrozumiany poprzez założenie, że cząstki w gazach i cieczach znajdują się w stanie ruchów termicznych tj. zderzają się ze sobą wykreślając zygzakowatą trajektorię ruchu od zderzenia do zderzenia. RUCHY BROWNA Taka zygzakowata trajektoria może być obserwowana pod zwykłym mikroskopem, gdy obserwacje dotyczą tak zwanej cząstki Browna (pyłku kwiatowego, kurzu, cząstek polimeru) i jest zwana ruchami Browna. Jako pierwszy obserwacje nieregularnych ruchów małych cząstek pyłku kwiatowego unoszących sie na wodzie prowadził angielski botanik Robert Brown ( ) w 1827 roku. Ruchy Browna Wytłumaczenie oparte zostało na atomistycznej teorii budowy materii i zostało uznane za jeden z najmocniejszych dowodów na istnienie atomów. Zygzakowaty ruch cząsteczek zawieszonych w cieczy jest wymiernym i przewidywalnym skutkiem kinetyki cząsteczek. Teoria mówi, że pyłki unoszące się w wodzie są bez przerwy bombardowane ze wszystkich stron wieloma cząsteczkami wody, szybko poruszającymi się, znacznie mniejszymi od pyłków. Pyłek jest lekki, więc nawet niewielkie ilości wypadkowego pędu, przekazywane mu co chwilę w wyniku wielu przypadkowych zderzeń, powodują jego powolny zygzakowaty ruch. W późniejszym czasie, prace Perrina, Smoluchowskiego, Einsteina, Langevina, wyjaśniły przyczynę Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 2

3 ruchów Browna, jako wynik ciągłego bombardowania cząstki Browna przez cząstki cieczy będące w termicznym ruchu. Im mniejsze cząstki Browna, tym ruch jest bardziej intensywny. Obserwacje pokazują, że ze wzrostem temperatury wzrasta również prędkość ruchów Browna. ROZPUSZCZANIE Rozpuszczanie jest możliwe, ponieważ substancje zbudowane są z cząsteczek o bardzo małych rozmiarach. Jest to tworzenie roztworu ze składników będących uprzednio w odrębnych fazach (stałej i ciekłej). Przykładem jest mieszanie się substancji stałej z rozpuszczalnikiem, w wyniku czego powstaje roztwór; np. roztwór cukru lub soli w wodzie. Substancję rozpuszczoną można wyodrębnić np. przez odparowanie rozpuszczalnika. W podejściu mikro cząsteczki rozpuszczalnika atakują cząsteczki substancji rozpuszczanej (ruchy cieplne) odrywając je od bloku fazy stałej (np. ziarna cukru). Proces rozpuszczania wymaga zatem pewnej energii dla przezwyciężenia stosunkowo silnego oddziaływania cząsteczek lub atomów w substancji rozpuszczanej. W zjawisku rozpuszczania zmienia się tzw. Energia wewnętrzna obu substancji a towarzyszyć temu mogą efekty cieplne. ZJAWISKO PRZYLEGANIA (MENISK CIECZY) Między drobinami występują oddziaływania o różnej sile. MIESZANIE CIECZY, KTÓREMU TOWARZYSZY ZMNIEJSZENIE OBJĘTOŚCI. Cząsteczki cieczy są różne i znajdują się w różnej odległości. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 3

4 STANY SKUPIENIA Wszelkie otaczające nas przedmioty zbudowane są z materii. Jednak materia to również rzeczy, których nie możemy dotknąć jak powietrze czy planety. Istoty żywe też składają się z materii. Znamy cztery różne postacie występowania materii stan stały, ciekły, gazowy i plazma (plazma występuje tylko w bardzo wysokich temperaturach podobnych do tych, które występują we wnętrzu gwiazd). Właściwościami materii są m.in.: gęstość, objętość, masa, plastyczność, kruchość, sprężystość, itp. Większość substancji istnieje w przyrodzie w trzech stanach skupienia, każdy stan skupienia posiada inne własności: Gaz: Substancja zajmująca całą możliwą przestrzeń dzięki zjawisku dyfuzji. Gazy mają małą gęstość, są ściśliwe, wywierają jednakowe ciśnienie w każdym kierunku, często są niewidoczne. Ciecz: Substancja łatwo zmieniająca swój kształt i zwykle wymagająca pojemnika do ograniczenia jej w poziomie. Grawitacja wymusza jej poziome ułożenie. Gęstość cieczy jest około1000 razy większa niż gazów. Ciało stałe: Substancja utrzymująca trwały kształt, chyba że jest ściskana lub rozciągana przez działanie sił zewnętrznych. Gęstość większości ciał stałych jest większa niż gęstość cieczy. TEMPERATURA Stan skupienia danej substancji zależy od jej temperatury. Temperatura przejścia cieczy do stanu stałego nazywana jest temperaturą krzepnięcia (jest równa temperaturze topnienia). Substancja powyżej swojej temperatury topnienia jest cieczą, natomiast poniżej tej temperatury jest ciałem stałym. W temperaturze pokojowej, wszystkie ciecze mają temperaturę topnienia niższą od temperatury pokojowej, natomiast ciała stałe mają temperaturę topnienia wyższą od temperatury pokojowej. Znając temperatury topnienia różnych substancji można określić ich stan skupienia w dowolnej temperaturze. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 4

5 Substancje mogą zmieniać swój stan skupienia. Przemiany fazowe to procesy, w wyniku których substancje zmieniają swój stan skupienia. Schemat przedstawia wszystkie możliwe przemiany: Parowanie nie jest przemianą fazową, gdyż nie zachodzi w stałej dla danej substancji temperaturze przemiany, lecz w każdej temperaturze. Temperatura przemiany fazowej stała temperatura, w której substancja zmienia stan skupienia. Temperatura topnienia jest zawsze równa temperaturze krzepnięcia, zaś temperatura wrzenia jest równa temperaturze skraplania. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 5

6 KINETYCZNA TEORIA MATERII Kinetyczna teoria materii zakłada, że wszystkie substancje zbudowane są z wielu identycznych cząstek (atomów lub cząsteczek), będących w stanie ciągłego ruchu. Oddziaływania międzycząsteczkowe zależą od odległości między cząstkami. W cieczach i ciałach stałych przeważają siły przyciągania, które utrzymują substancję w całości. W ciałach stałych cząsteczki są ułożone bardzo blisko siebie tworząc sztywną sieć. Wykonują drgania wokół położeń równowagi (węzłów sieci), ale nie przemieszczają się względem siebie. W stanie ciekłym, odległości między cząsteczkami są większe niż w ciałach stałych, cząsteczki poruszają się szybciej, chaotycznie i często zmieniają wzajemne położenie. W stanie gazowym cząsteczki poruszają się chaotycznie, z dużo większą prędkością niż w cieczach i zazwyczaj średnie odległości między cząsteczkami są większe niż w cieczach. Naturalny ruch cząsteczek jest związany z temperaturą substancji. W gazach i cieczach wyższa temperatura odpowiada wyższej średniej prędkości cząsteczek, a w ciałach stałych większej częstotliwości i amplitudzie drgań. Temperatura substancji jest ściśle związana z energią kinetyczną ruchu cząsteczek. Energia cieplna pobierana przez ciało stałe powoduje wzrost średniej energii kinetycznej drgań cząsteczek. Temperatura jest to wielkość fizyczna będąca miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji; temperatura jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej. Dla gazu złożonego z pojedynczych atomów średnia energia kinetyczna jednego atomu jest równa: Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 6

7 gdzie k B = 1, J / K jest stałą, która nazywa się stałą Boltzmanna, T temperatura. Podczas ogrzewania substancji, po osiągnięciu temperatury topnienia, część dostarczanej energii jest wykorzystana na przerwanie wiązań między cząsteczkami. Zanika kształt substancji i następuje przejście w stan ciekły. Ta dodatkowa energia, która jest potrzebna na przerwanie wiązań, nazywana jest ciepłem przemiany fazowej. W czasie topnienia ciał krystalicznych temperatura pozostaje stała. Dopiero, gdy cała substancja zmieni się w ciecz, dalsze dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury. W czasie stygnięcia cieczy występuje proces odwrotny. Krzepnięcie substancji powoduje wydzielanie ciepła do otoczenia. Cechą charakterystyczna wszystkich przemian fazowych jest pobranie (lub oddanie) pewnej ilości ciepła Q podczas trwania procesu. Ciepło to zależy od masy m ciała biorącego udział w danej przemianie fazowej i wyraża się wzorem: Q = l m. We wzorze tym współczynnik l zależny od rodzaju ciała i rodzaju przemiany, nazywa się ogólnie ciepłem przemiany, a w konkretnych przypadkach przyjmuje nazwy: ciepła topnienia, ciepła parowania lub ciepła sublimacji. Ciepło przemiany wyraża się w układzie jednostek SI w dżulach na kilogram. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 7

8 Energia kinetyczna jest związana z chaotycznym ruchem cieplnym molekuł wewnątrz substancji ciekłych i gazów lub drganiami atomów w substancjach stałych. Energia potencjalna oddziaływań jest równa pracy (jako wielkości fizycznej) jaką trzeba wykonać, aby całkowicie oddzielić od siebie oddziałujące cząsteczki lub atomy (przerwać wiązania cząsteczkowe). Energia wewnętrzna ciała jest to suma energii kinetycznych wszystkich cząsteczek i atomów substancji w danej masie, oraz suma energii potencjalnych ich wzajemnych oddziaływań. W tych przemianach, których końcowym efektem jest rozluźnienie więzów międzycząsteczkowych, a więc podczas topnienia, parowania czy sublimacji, ciało podlegające przemianie pobiera ciepło. Energia ruchów cieplnych zostaje wtedy przetworzona poprzez pracę przeciw siłom wiązań międzycząsteczkowych, na zwiększoną energię potencjalną cząsteczek w nowym stanie skupienia. Podczas przemian odwrotnych (krzepnięcie, skraplanie, resublimacja) ciało oddaje ciepło. Jeśli proces skraplania (krzepnięcia) odbywa się w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem co proces parowania (topnienia) wówczas ilość ciepła oddanego jest równa ilości ciepła poprzednio pobranego. Ważną rolę w tych przemianach odgrywa relacja między sumaryczną energią kinetyczną cząsteczek E k i sumaryczną energią potencjalną ich wzajemnego oddziaływania E p, występującymi w wyrażeniu na energię wewnętrzną: gazy cząsteczki zderzają się, lecz pomiędzy zderzeniami poruszają się swobodnie: E k >> E p. ciecze cząsteczki podlegają drganiom wokół chwilowych położeń równowagi, lecz mogą jednocześnie przemieszczać się są częściowo swobodne, E k E p Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 8

9 ciała stałe cząsteczki i atomy podlegają ruchom drgającym wokół położeń równowagi, E k << E p. Ważnym faktem jest to, że wartość energii kinetycznej cząsteczek i atomów jest wprost proporcjonalna do temperatury ciała. Zmiana stanu skupienia następuje wskutek zmiany wartości energii wewnętrznej ciała oraz relacji między energią kinetyczną a energią oddziaływania cząsteczek. W wysokich temperaturach, gdy E k przyjmuje duże wartości, każda substancja występuje w postaci gazu. Przy obniżaniu temperatury E k maleje i w niskich temperaturach osiągamy stan, w którym E k << E p, co odpowiada stałemu stanowi skupienia. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 9

10 JĄDRO ATOMOWE, CZĄSTECZKA Wszystko, co można wyczuć zmysłami (choć nie tylko) zbudowane jest z maleńkich drobin zwanych atomami, których miliony zmieścić można w kropce wielkości tej na końcu zdania. Na atom składają się znacznie mniejsze cząstki (zwane czasem subatomowymi). Środek każdego atomu tworzy jądro, które budują protony i neutrony (składniki jądra atomowego określane są wspólna nazwą: nukleony od łac. nucleus = jądro). Wokół jądra poruszają się elektrony, które umownie grupuje się w powłoki (swoiste warstwy) w zależności od tego jak daleko od jądra krążą. Nazwa nuklid jest stosowana dla każdego jądra większego niż nukleon. Nuklid pierwiastka o symbolu chemicznym X, oznaczamy symbolem :: A liczba nukleonów (liczba masowa), Z liczba protonów (liczba atomowa porządkowa). Nuklidy o tej samej liczbie Z noszą nazwę izotopów, a o tej samej liczbie A izobarów. Jądra zawierające jednakowe liczby neutronów, czyli N = A Z = const, nazywamy izotonami. Neutron i proton mają prawie taką samą masę i bardzo zbliżone właściwości: m n = kg, m p = kg, czyli m p = 1836,1m e i m n = 1838,6m e. Masa protonów i neutronów jest znacznie większa niż elektronów. Tak więc można uznać masę atomu jako praktycznie równą masie jądra. Cząsteczki powstają w wyniku łączenia się atomów w większe układy. Liczba atomowa (oznaczana symbolem Z) określa liczbę protonów w atomie (w obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest równa). Protony i elektrony to cząstki mające ładunek elektryczny (protony dodatni a elektrony ujemny), z kolei neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie. Elektrony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Pierwiastek charakteryzuje się tym, że wszystkie jego atomy posiadają tę samą liczbę protonów. Natomiast liczba neutronów może być różna. Takie odmiany pierwiastka nazywamy izotopami. Atomy są niezwykle małe. Ich rozmiary są rzędu metra i składają się głównie z pustej przestrzeni elektrony poruszają się w bardzo dużej odległości od jądra (relacja jest mniej więcej taka, że jeśli wyobrazić sobie jądro atomu jako łepek od szpilki umieszczony na środku boiska piłkarskiego to elektrony są maleńkimi punkcikami na brzegach tego boiska). Siły jądrowe Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 10

11 Trwałe wiązania między nukleonami w jądrze wskazują na istnienie w jądrach atomowych specyficznych sił, tzw. sił jądrowych (oddziaływania silne). Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania silne przeważają na małych odległościach, na większych odległościach przeważają siły odpychania elektrycznego. Cechy sił jądrowych: nie można ich wyjaśnić za pomocą klasycznych oddziaływań grawitacyjnych czy elektromagnetycznych (są zbyt słabe), siły jądrowe są przyciągające, są krótkozasięgowe. Zanikają na odległości około m, są niezależne od ładunku, co oznacza, że nie rozróżniają one protonów od neutronów. każdy nukleon oddziałuje z najbliższymi sąsiednimi nukleonami. Rozmiary atomu i jądra Badania atomów różnych pierwiastków pokazały, że jego średnica jest wielkością bardzo małą i wynosi około 0, = m, a masa około kg. Atom jest tak mały, że nie dostrzeżemy go pod lupą, a także pod mikroskopem. Wyodrębnienie pojedynczego atomu jest więc praktycznie niemożliwe. Jądro atomowe jest około 105 razy mniejsze od rozmiarów atomu m. Rozmiary atomu i jądra: jądro m atom m Kwarki. Nukleony oraz mezony (poza pionami są jeszcze inne mezony) to cząstki silnie oddziałujące hadrony. Obecnie przyjmuje się, że hadrony są podzielne składają się z mniejszych cząstek, kwarków. Przyjmuje się, że istnieje sześć kwarków i sześć antykwarków, chociaż dotychczas nikt nie wykazał doświadczalnie istnienia swobodnego kwarku. Być może, że istnieją tylko w postaci związanej jako składniki, np. protonu czy innego hadronu. Przyjmuje się, że cząstką wymienną w oddziaływaniu kwarków jest gluon. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 11

12 ZJAWISKA TRANSPORTU Stany równowagi, zjawiska transportu Równowaga termodynamiczna oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Wszystkie procesy w przyrodzie przebiegają w kierunku osiągnięcia stanów równowagowych. Teraz zapoznamy się z bardzo uproszczonym opisem zjawisk, które zachodzą, gdy układy dążą do stanów równowagi. Zjawiska te ogólnie można scharakteryzować jako przenoszenie (transport) pewnej wielkości fizycznej przez ośrodek materialny, przy czym ruch cząsteczek tego ośrodka ma charakter przypadkowy. W zjawiskach tych mamy zawsze do czynienia z przenoszeniem: materii energii pędu ładunku elektrycznego. Omówimy teraz krótko wybrane zjawiska transportu: Dyfuzja - transport masy Dyfuzję możemy określić jako proces przenoszenia cząstek jakiejś substancji od miejsc o większym stężeniu do miejsc o stężeniu mniejszym, czyli mówiąc inaczej dyfuzja jest transportem masy. Przewodnictwo cieplne - transport energii Zjawisko przewodnictwa cieplnego polega na przenoszeniu energii cieplnej i jest związane z różnicą temperatur. Z punktu widzenia mikroskopowego transport energii cieplnej polega w istocie na przekazywaniu energii kinetycznej przez cząsteczki szybsze (o wyższej temperaturze) cząstkom wolniejszym (o niższej temperaturze) wskutek przypadkowych zderzeń. Lepkość - transport pędu Zjawisko lepkości cieczy polega na tym, że na ciało poruszające się w cieczy działa siła oporu. Z mikroskopowego punktu widzenia zjawisko lepkości polega na przekazywaniu przez ruchomą płytkę pędu cząstkom cieczy. Pęd ten jest przenoszony przez cząsteczki cieczy i oddawany w wyniku zderzeń drugiej płytce. Charakterystyczną cechą transportu pędu jest to, że kierunek przenoszenia wektora pędu jest prostopadły do kierunku wektora pędu; pęd jest Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 12

13 więc przenoszony prostopadle do kierunku ruchu cząstek ośrodka. Lepkość gazów ujawnia się wówczas, gdy gaz płynie w określonym kierunku i gdy różn warstwy gazu mają różne prędkości. Przewodnictwo elektryczne czyli przenoszenie ładunku elektrycznego w wyniku ruchu elektronów (dążenie do wyrównania potencjałów elektrycznych). SYMETRIA I ANIZOTROPIA Symetria budowy kryształów Ciała krystaliczne i amorficzne Każda substancja ciekła (z wyjątkiem helu) podczas oziębiania traci swoje własności ciekłe i przechodzi w ciało stałe. Jednakże proces przejścia ze stanu ciekłego w stan stały dla różnych substancji jest różny. Znane są dwa procesy zestalania się cieczy. Pierwszy proces nosi nazwę krystalizacji i polega na tym, że w cieczy, oziębionej do określonej temperatury, pojawiają się tzw. centra krystalizacji - drobne kryształki, czyli obszary uporządkowanych i trwale związanych ze sobą cząstek. W warunkach umożliwiających swobodny wzrost, przy dalszym oziębianiu cieczy centra krystalizacji rozrastają się w kryształy, tj. w trójwymiarowe okresowe ułożenia atomów, lub grup atomów. Przestrzenny układ atomów stanowiący pewne formy przestrzennych brył geometrycznych opisujemy sieciami krystalicznymi. Dla drugiego procesu zestalanie się cieczy zachodzi wskutek stosunkowo szybkiego zwiększenia lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury. Znane są dwa rodzaje tego procesu zestalania się. W niektórych substancjach (lak, wosk, smoła i inne) w ogóle nie obserwuje się krystalizacji. Takie substancje nie występują w postaci krystalicznej i noszą nazwę ciał amorficznych. Inne substancje, na przykład szkło, są zdolne do krystalizacji. Jednak wskutek szybkiego wzrostu ich lepkości przy obniżaniu temperatury (co powoduje, że ruch cząsteczek konieczny do uformowania się i wzrostu kryształu jest utrudniony) substancja zestala się wcześniej niż nastąpi krystalizacja. Substancje takie nazywamy szkłopodobnymi. Substancje szkłopodobne samorzutnie powoli przekształcają się w postać krystaliczną. Różnica między amorficznymi, szkłopodobnymi i krystalicznymi ciałami nie ogranicza się tylko do osobliwości które występują podczas zestalania się odpowiednich cieczy Jedną z podstawowych cech ciał krystalicznych jest anizotropia ich własności fizycznych, tj. zależność własności fizycznych ciała od kierunku w tym ciele. Na przykład jeżeli umieścimy kryształ w polu elektrycznym kondensatora i będziemy mierzyli prąd elektryczny przepływający przez kryształ przy stałej wartości napięcia na kondensatorze, to zauważymy, że przy obrocie kryształu wokół dowolnej osi wartość prądu elektrycznego zmienia się. Mówimy, że kryształ jest anizotropowy ze względu na przewodnictwo elektryczne. Najbardziej widocznym efektem anizotropii kryształów jest ich wzrost: kryształy przy wzroście nie przyjmują postaci kuli, a mają postać symetrycznego wielościanu. Anizotropia Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 13

14 fizycznych własności kryształów, jak i wiele charakterystycznych cech kryształów, jest uwarunkowana osobliwością ich budowy wewnętrznej. Badaniami anizotropii fizycznych własności kryształów, a dokładniej badaniami zależności między symetrią właściwości fizycznych kryształów, a symetrią struktury kryształów zajmuje się nauka fizyka kryształów (lub krystalografia fizyczna albo krystalofizyka). Elementy symetrii Jedną z podstawowych cech ciał krystalicznych jest ich zdolność przyjmowania, w warunkach umożliwiających swobodny wzrost kryształu, postaci symetrycznego wielościanu. Postać krystaliczna charakteryzuje się płaskością ścian, liniowością krawędzi, które zbudowane są z atomów o różnej konfiguracji geometrycznej i różnej gęstości obsadzenia. Charakterystyczną cechą stanu krystalicznego jest również powtarzanie się zespołów ścian, krawędzi i kątów między nimi co określa się symetrią sieci i zarazem symetrią kryształów. Związek właściwości i symetrii kryształów ujmuje prawo symetrii, które stwierdza, że właściwości fizyczne i mechaniczne w niektórych kierunkach nierównoległych są jednakowe i są to kierunki symetryczne. Różne właściwości dla innych kierunków nierównoległych lecz niesymetrycznych związane jest z anizotropią kryształów. Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 14

15 LITERATURA: 1. D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Podstawy fizyki. T 1, Mechanika, PWN, Warszawa, J. Blinowski, J. Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie., PWN, Warszawa, A. Kubica, E. Wnuczak, R. Żuczkowski, Fizyka dla wyższych szkół technicznych. T 1, PWN, Warszawa, Z. Kamiński, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnietechniczne., Wyd. Naukowo - Techniczne, Warszawa, ki%20krysztalow/rozdzial%20i.pdf Kwalifikacyjny kurs dla nauczycieli przedmiotu Przyroda J. Sowińska 15