Ciała stałe

CIAŁO STAŁE- ciało wyróżniające się uporządkowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego modelu przestrzennego, zw. komórką elementarną kryształu. Do początków XX w. za ciała stałe uważano wszystkie substancje wykazujące sprężystość postaci (tzn. zdolność powracania do pierwotnych wymiarów i kształtu po przerwaniu działania sił odkształcających); właściwość tę mają także takie ciała, jak szkliwa i polimery, zaliczane dawniej do ciał stałych, chociaż w strukturze ich brak uporządkowania przestrzennego; obecnie ciała te uważane są za przechłodzone ciecze ( bezpostaciowe ciała). Badania wykazały, że własności (mechaniczne, optyczne, elektr., magnetyczne i in.) ciał stałych zależą od rodzaju atomów wchodzących w skład ciał stałych, ich rozmieszczenia (a więc wewnętrznej budowy ciał stałych) i wzajemnego oddziaływania. Poznanie tych zależności ma ogromne znaczenie teoretyczne i praktyczne; zajmuje się tym jedna z najmłodszych dziedzin fizyki - fizyka ciał stałych.

W ciele stałym swoboda ruchu molekuł jest jeszcze bardziej ograniczona niż w cieczy. Molekuły ciała bez działania sił zewnętrznych nie mogą przesuwać się w jednej względem drugich, a tylko wykonują w swym ruchu cieplnym drgania koło położeń równowagi. Wiemy, jak trudno jest przełamać czy rozciągnąć pręt metalowy lub rozłupać drewno. Każdorazowej bowiem zmianie objętości lub kształtu ciała stałego przeciwstawiają się znaczne siły międzymolekularne. Przy zbliżaniu molekuł działają (podobnie jak w cieczach) siły odpychania, przy oddalaniu molekuł - na większych odległościach przejawia się działanie sił przyciągania. Większość ciał stałych ma budowę krystaliczną. Do ciał niekrystalicznych (bezpostaciowych) nalezą naprzykład tworzywa sztuczne, włókna sztuczne, guma. Najdrobniejsze okruszki soli kamiennej oglądane pod mikroskopem są kryształkami. Metale mają budowę drobnokrystaliczną, tzn. składają się z wielu drobniutkich kryształków ułożonych w sposób nieuporządkowany. Budową krystaliczną metali można zaobserwować na przełomie pręta cynkowego. Charakterystyczne skrzypienie przy zginaniu pręta cynkowego jest spowodowane tarciem między poszczególnymi kryształkami metalu.

W węzłach sieci krystalicznej mogą być osadzone oddzielnie atomy, cząsteczki lub jony. Mają one bardzo ograniczoną swobodę ruchów, a mianowicie mogą wykonywać mogą wykonywać tylko ruchy drgające względem swoich stałych położeń równowagi.
W pewnych warunkach mogą one przedostać się do strefy działania innych atomów, cząsteczek lub jonów i dyfundować przez powierzchnię rozgraniczającą dwa ciała. Potwierdzeniem doświadczalnym zjawiska dyfuzji w ciałach stałych jest przenikanie atomów złota do ołowiu. Jeśli na przykład dobrze wypolerowane płytki - ołowiu i złota - ściśle ze sobą zetkniemy i pozostawimy w tych warunkach na przeciąg kilku miesięcy, to po upływie tego czasu zauważymy, że atomy złota przeniknęły do warstewki powierzchniowej ołowiu.

Struktura krystaliczna ciał stałych

W zależności od tego czy w węzłach sieci krystalicznej są osadzone oddzielne atomy, jony czy cząsteczki, rozróżniamy struktury: atomową, jonową, cząsteczkową, oraz metaliczną.
Struktura atomowa. Przykładem jest kryształ diamentu lub grafitu z osadzonymi w węzłach sieci atomami węgla.
Struktura jonowa. Przykładem jest omówiony poprzednio kryształ soli kamiennej z osadzonymi na przemian jonami Na+ i Cl-. Substancje w roztworach wodnych oraz w stanie stopionym rozpadają się na swobodne jony.
Struktura cząsteczkowa. Przykładem jej są kryształy lodu, cukru, siarki i jonu z osadzonymi w węzłach sieci cząsteczkami. Cząsteczkami są związane ze sobą siłami przyciągania niędzymolekularnego, wskutek tego substancje takie cechuje niska temperatura topnienia i mała twardość.
Struktura metaliczna. Struktura ta różni się zasadniczo od poprzednio wymienionych struktur. Przykładem jej są metale. Sieć krystaliczna metali zawiera dodatnie jony metalu, między którymi poruszają się swobodnie uwolnione z atomów elektrony.