Особенности строения и свойства твердых тел

Все окружающие нас тела состоят из атомов, ионов, молекул, которые независимо от вида связи между собой (ковалентной, металлической, ионной или водородной) имеют между собой как силы притяжения (более дальнодействующие), так и силы отталкивания (более короткодействующие и сильно возрастающие по сравнению с силами притяжения при уменьшении расстояния между частицами). Общая принципиальная зависимость их по мере уменьшения расстояния между частицами представлена на рисунке.

На расстоянии между частицами, равном r₀, силы притяжения и силы отталкивания между частицами равняются друг другу. И в случае абсолютного нуля температур частицы стремятся занять место в пространстве со степенью их удаления друг от друга, равной r₀. Но окружающий нас мир имеет температуру отличную от нуля (T₀ = -273°C), и, поэтому, частицы имеют ещё и некоторую дополнительную, приходящую на одну степень свободы, кинетическую энергию, равную:

Тогда полная энергия частицы равняется уже:

И данная частица займет теперь положение, соответствующее уровню 1-1' на потенциальной диаграмме. Это означает, что эта частица будет совершать колебательные движения на этом уровне, последовательно подвергаясь воздействию то сил упругого притяжения, то сил упругого отталкивания. Если такой частице подвести больше тепла, соответствующее температуре T₂, то частица перейдет уже на уровень потенциального взаимодействия, соответствующий 2-2', где также будет совершать колебательное движение под действием упругих сил притяжения и отталкивания. Линия, проведенная между точками c, d и e будет представлять собой линию теплового расширения для тела состоящего из частиц, характерных для данного материала.

a и b – постоянные, зависящие от природы взаимодействующих веществ;

r – расстояние между частицами;

n = 6…7; m = 8…12.

Если же нагреть этот же материал еще до более высокой температуры (например, T₃), то частицы перейдут еще на более высокий потенциальный уровень 3-3'. И здесь частицы будут при своем колебательном движении испытывать достаточно сильное упругое взаимодействие со стороны сил отталкивания и слабое, также упругое, взаимодействие со стороны сил притяжения. По своим свойствам этот же материал уже приближается к свойствам жидкости. Для случая взаимодействия частиц металлических тел, это будет соответствовать состоянию материала в расплавленном виде.

Если же материал еще больше нагреть до температуры T₄, то частицы поднимутся еще на более высокий потенциальный уровень 4-4'. Частицы в этом случае переходят состояние, свойственное пару и преимущественным взаимодействием между ними становятся силы упругого отталкивания.

Из рассмотренного выше следует особо принять во внимание:

- в результате приближения материальных частиц друг к другу на некотором расстоянии между ними возникают силы притяжения;

- по мере дальнейшего их сближения помимо сил притяжения возникают еще и очень сильно увеличивающиеся по абсолютному значению, силы отталкивания между ними, препятствующие их дальнейшему сближению;

- под действием сил отталкивания и притяжения (сил электрической природы) между частицами, они стремятся занять в пространстве положение с минимумом потенциальной энергии (в результате этого происходит построение кристаллических решеток твердых тел с характерными для них свойствами);

- под действием тепла твердые тела способны менять как свои механические свойства, так и свое фазовое состояние с характерными для него особенностями (так, например: материал твердого тела способен перейти в жидкое состояние, а затем и в парообразное состояние, существенно изменив свои свойства).