Что такое ближний и дальний порядок в кристалле
Что такое ближний и дальний порядок в кристалле
Дальний и ближний порядок
Атомы, из которых состоят все тела, конечно, нельзя считать твердыми шарами. И тем не менее простые геометрические соображения помогают разобраться в строении вещества.
Рис. 6. Рисунки из атласа Р. Ж. Гаюи, изданного в начале XIX века
Впервые геометрический подход использовал еще в 1611 г. немецкий ученый И. Кеплер, высказавший предположение о связи шестиугольной формы снежинок с плотнейшими способами упаковки шаров. М. В. Ломоносов дал в 1760 г. первое изображение плотнейшей кубической шаровой упаковки и объяснил таким образом форму кристаллических многогранников. А французский аббат Р. Ж. Гаюи в 1783 г. заметил, что любой кристалл можно составить из множества повторенных частей (рис. 6). Правильную геометрическую форму кристаллов он объяснил тем, что кристаллы построены из одинаковых маленьких «кирпичиков». Наконец, в 1824 г. немецкий ученый А. Зибер предложил модель кристалла из регулярно расположенных маленьких сфер, взаимодействующих подобно атомам. Плотная упаковка таких сфер соответствует минимуму потенциальной энергии их взаимодействия.
Рис. 7. С помощью правильных пятиугольников невозможно заполнить всю плоскость без просветов
Рис. 8. Строение кварца (а) и стекла (б)
Интересные опыты по выяснению структуры аморфных тел проделал в 1959 г. английский ученый Дж. Бернал. Одинаковые шарики из пластилина были беспорядочно сложены и спрессованы в сплошной ком. Когда их потом разобрали, оказалось, что многогранники, в которые превратились шарики, обладают преимущественно пятиугольными гранями. Такие же опыты проделывали и с круглыми свинцовыми пулями. Если пули до сжатия укладывались наиболее упорядоченно и плотно, то после деформации образовывались почти точные ромбододекаэдры, а если их насыпали случайно, получались неправильные четырнадцатигранные тела. При этом встречались четырехугольные, пятиугольные и шестиугольные грани, но преобладали пятиугольные.
Рис. 10. Колония вирусов также обладает свойством симметрии (фотография сделана с помощью электронного микроскопа)
Симметрия 5-го порядка очень распространена в биологических объектах. На рис. 10 представлена электронно-микроскопическая фотография колонии вирусных частиц. Не правда ли, имеется полное сходство с пентагональной упаковкой шаров, показанной на рис. 5? Палеонтологи даже используют наличие осей 5-го порядка в ископаемых объектах для доказательства их биологического (а не геологического) происхождения. Видите, как далеко увели нас следы на песке.
Понятие ближнего и дальнего порядка
Степень упорядоченности твердых растворов определяется ближним и дальним порядком расположения частиц в кристалле. Регулярность положения частиц в межатомных масштабах (1-10 Å) называют ближним порядком, а регулярность на неограниченно больших расстояниях – дальним порядком.
Наличие ближнего и дальнего порядка обусловлено взаимодействием между частицами: чем оно сильнее, тем более выражен порядок. В газе ближний и дальний порядок отсутствуют, в жидкостях и аморфных телах есть только ближний порядок, в кристаллах присутствуют оба вида порядка. В последнем случае основными признаками дальнего порядка является кристаллическая решетка и кристаллографическая симметрия. Наличие дальнего порядка в кристалле означает, что строгая закономерность чередования атомов в решетке не нарушается при рассмотрении всего объема кристалла. В квазикристаллах присутствует некристаллографический (нетрансляционный) дальний порядок. В жидких кристаллах дальний порядок наблюдается только во взаимном согласовании ориентации молекул. Дальний порядок может присутствовать и в ориентации электрических диполей (сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики) и магнитных моментов (магнитное упорядочение).
Степень дальнего порядка связана с вероятностью расположения атомов в соответствующих им узлах. S = (p—pmin) / (pmax—pmin), где p –вероятность расположения атомов каждого сорта в соответствующих им узлах, pmaxиpmin– то же для идеально упорядоченной и полностью неупорядоченной структур.
Характер упаковки атомов в твердом теле определяют понятием ближнего порядка. Поэтому говорят, что полимер имеет жидкостную структуру, которая характеризуется наличием ближнего порядка. В полимере понятие ближнего порядка относится не к молекулам, а к их сегментам, которые образуют ассоциаты (узлы флуктуационной сетки) с наиболее выраженным ближним порядком. В низкомолекулярной жидкости регулярность в расположении молекул существует только между соседними молекулами; уже на расстоянии 4 или 5 молекулярных диаметров эта регулярность полностью исчезает. В полимерах размеры упорядоченных областей могут быть много больше.
Дата добавления: 2016-02-04 ; просмотров: 2317 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Дальний порядок и ближний порядок
Полезное
Смотреть что такое «Дальний порядок и ближний порядок» в других словарях:
ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК — ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК, наличие пространственной корреляции микроструктуры вещества: корреляция в пределах всего микроскопического образца дальний порядок; корреляция в области с конечным радиусом ближний порядок. То есть дальний… … Энциклопедический словарь
ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК — характерная для кристаллов строгая повторяемость во всех направлениях одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки (в отличие от аморфных твердых тел… … Большой Энциклопедический словарь
Дальний порядок — Дальний порядок упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твёрдом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях. Дальним порядком в… … Википедия
дальний порядок — [long range order] закономерное расположение атомов или молекул в твердых телах и жидкостях на неограниченно больших расстояниях в пределах всего макроскопического образца. Дальний порядок характерен для правильных кристаллических тел, металлов и … Энциклопедический словарь по металлургии
ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК — см. в ст. Ближний и дальний порядок … Большой энциклопедический политехнический словарь
БЛИЖНИЙ И ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК — хар ка упорядоченности расположения атомов (молекул) в в ве или отд. макромолекуле. Ближний порядок характерен для аморфных в в (твёрдых и жидких); в этом случае упорядоченное расположение атомов наблюдается в пределах расстояний, близких к… … Большой энциклопедический политехнический словарь
дальний порядок — характерная для кристаллов строгая повторяемость во всех направлениях одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решётки (в отличие от аморфных твердых тел… … Энциклопедический словарь
ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК — характерная для кристаллов строгая повторяемость во всех направлениях одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тыс. периодов кристаллич. решётки (в отличие от аморфных тв. тел и… … Естествознание. Энциклопедический словарь
ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК — упорядоченность в расположении структурных ч ц в ва (атомов, молекул, ионов), в ориентации их магн. и дипольных электрич. моментов и т. п. Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными, наз. ближним порядком, а упорядоченность,… … Физическая энциклопедия
Ближний порядок — Ближний порядок упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок это наличие… … Википедия
Что означают понятия ближний и дальний порядок в расположении атомов? Каким фазовым состояниям присущ ближний и дальний порядок?
Жидкий металл в отличии от кристаллического не имеет дальний порядок, который характеризируется периодическим расположением атомов по узлам кристаллической решетки. В расплаве ближний порядок – упорядоченное расположение атомов вокруг произвольно выбранного атома на расстояниях, соизмеримых с межатомными. Его хар-ки – кратчайшее межатомное расстояние и среднее число ближайших соседей (координационное число).
Показать, что является термодинамическим стимулам крист-ии металла? Почему для начала крист-ии металлов необходимо переохлаждение?
Чтобы началась крист-ия необходимо переохладить расплав ниже Т0. Разность ∆Gоб является термодинамическим стимулом (движущей силой) кристаллизации. Чем больше степень переохлаждения, тем больше ∆Gоб.
Записать общее изменение энергии Гиббса при кристаллизации металлов. Из чего складывается объемная и поверхностная межфазная энергия?
Образование в расплаве кристалла объемом Vприводит к снижению энергии Гиббса на величину ΔGоб = VΔgo6, где Δgo6 – изменение энергии Гиббса, приходящееся на единицу объема твердой фазы. Наряду с этим из-за возникновения поверхности раздела кристалл-расплав энергия Гиббса должна возрасти на величину
ΔGПВ =F∙y, где F – площадь указанной поверхности, а у – межфазная энергия Гиббса единицы поверхности. Таким образом, при образовании в расплаве кристалла результирующее изменение энергии Гиббса выразится алгебраической суммой:
G = U – TS + pV; U – внутренняя энергия; S – энтропия; V – объемная энергия; Т – t-ра; p – давление.
Почему для реализации гомогенной кристаллизации необходимы более значительные степени переохлаждения, чем для гетерогенной крист-ии?
У гомогенных больше степень переохл-ия, потому что меньшая по уровню энергии и по размерам требуется флуктуация на базе которой образуется критический зародыш, тем больше число. У гетерогенных больше критических зародышей.
ПОНЯТИЕ О ДАЛЬНЕМ И БЛИЖНЕМ ПОРЯДКЕ
Наличие пространственной корреляции микроструктуры вещества:
— корреляция в пределах всего микроскопического образца — дальний порядок;
— корреляция в области с конечным радиусом — ближний порядок.
То есть дальний порядок характеризует упорядоченность, повторяющуюся на неограниченно больших расстояниях, ближний порядок — упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными. Понятие дальний и ближний порядок применимо к конденсированному состоянию вещества.
В идеальном газе дальний и ближний порядок отсутствуют, так как расположение атома в какой-либо точке пространства не зависит от расположения других атомов. Жидкости и аморфные тела дальнего порядка не имеют, но в жидкостях и аморфных телах уже существует ближний порядок — некоторая закономерность в расположении соседних атомов. На больших расстояниях порядок «размывается». Расположение атомов вокруг любого атома такой системы можно охарактеризовать функцией радиального распределения W(r), которая определяет вероятность встретить атом того или иного сорта, находящийся на расстоянии r от данного атома. В том числе эта функция определяет вероятность количества ближайших соседей и расстояние до них. Расстояния между атомами не фиксированы строго, но максимумы функций распределения указывают наиболее часто встречающиеся расстояния. В статистических рамках ближнего порядка взаимные конфигурации атомов в жидкости могут быть в какой-то мере постоянными и в некоторых случаях близкими к таковым в кристаллической структуре.
Для кристаллов характерна строгая повторяемость во всех направлениях одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки. Такое правильное чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг относительно друга повторяется для сколь угодно отдаленных атомов, т. е. существует дальний порядок и ближний порядок. Основные признаки дальнего порядка — симметрия и закономерность в расположении частиц, повторяющаяся на любом расстоянии от данного атома. Наличие дальнего и ближнего порядка обусловлено взаимодействием между частицами.
Состояние вещества, характеризуемое наличием дальнего порядка, называется упорядоченной фазой, а состояние, в котором дальний порядок отсутствует — неупорядоченной фазой. Фазовый переход из неупорядоченной фазы в упорядоченную может быть переходом первого или второго рода. Если упорядочение происходит в результате фазового перехода второго рода, то в неупорядоченной фазе присутствует ближний порядок.
Понятия дальний и ближний порядок важны для теории сплавов, где они характеризуют степень упорядочения сплава, например в сплаве из двух компонентов при полном упорядочении атомы двух сортов чередуются, то есть каждый атом окружен ближайшими соседями только из атомов другого сорта. Неполный порядок проявляется в том, что среди соседей появляются атомы того же сорта. Полностью упорядоченное состояние возможно только при абсолютном нуле, так как тепловое движение нарушает порядок. Высокотемпературные фазы и в кристаллах и в сплавах, как правило, в результате теплового движения, становятся неупорядоченными.
Упорядоченность в расположении частиц вещества является координационной упорядоченностью. Но дальний и ближний порядок проявляется не только во взаимном расположении частиц. В некоторых веществах наблюдается также упорядоченность в ориентации молекул, магнитных моментов и электрических дипольных моментов.
В этих случаях понятие дальний и ближний порядок характеризует ориентационное упорядочение (упорядочение в ориентациях частиц, молекул), или магнитное упорядочение (упорядочение в ориентации магнитных моментов.
Например, в жидкости, состоящей из несимметричных молекул, существует ориентационный ближний порядок (а в жидких кристаллах — дальний порядок) в ориентации молекул. Ориентационное упорядочение наблюдается в изотропных жидкостях, состоящих из анизотропных, но случайным образом ориентированных молекул при фазовом переходе в анизотропную жидкость, в которой молекулы имеют преимущественную ориентацию. Параметром такого порядка является спонтанная поляризация.
Магнитное упорядочение происходит, когда парамагнетик, в котором магнитные моменты атомов, ориентированные независимо, при переходе через точки Кюри или Нееля упорядочиваются и либо приобретают одинаковое направление и ориентацию (в ферромагнетиках), либо одинаковое направление, но разные ориентации, образуя в антиферромагнетиках магнитные подрешетки. В ферромагнетиках и антиферромагнетиках существует дальний и ближний порядок в ориентации магнитных моментов. Параметром магнитного порядка является намагниченность.