Fizyka cia

ł

a sta

ł

ego

Dla kierunku In

Ŝ

ynieria Materiałowa

Wprowadzenie

Barbara Wandelt

Katedra Fizyki Molekularnej

PŁ

Co to jest ciało stałe?

Wielka liczba atomów (~ 10

23

/cm

3

) zwi

ą

zanych 

chemicznie lub fizycznie tworzy stałe skupisko.

Makroskopowo – stabilno

ść

kształtów

Mikroskopowo – sieć atomów drgających wokół
połoŜenia równowagi

Posta

ć

ciała stałego 

- krystaliczna

- bezpostaciowa

(

amorficzna)

Przej

ś

cie od cieczy do ciała stałego

Wszystkie substancje zestalaj

ą

si

ę

w temperaturze 

> 0

o

K 

Niektóre ciała zestalaj

ą

si

ę

do stanu 

bezpostaciowego (np. siarka) a nast

ę

pnie 

samorzutnie (w długim okresie czasu)
przechodz

ą

do postaci krystalicznej

Przykłady

: 

- matowienie szkła (400 lat)
- „scukrzanie” – wykrystalizowanie cukru w mocno 
słodzonych przetworach 

Wniosek:

bezpostaciowo

ść

to stan niezrównowa

Ŝ

ony 

termodynamicznie, metatrwały, przypomina ciecz lepk

ą

. 

Ró

Ŝ

nice mi

ę

dzy ciałami krystalicznymi 

i bezpostaciowymi

Krystaliczne (gr. krystallos) 
– uporz

ą

dkowany układ jonów lub atomów, 

periodyczno

ść

budowy.

-du

Ŝ

a liczba jednakowych komórek elementarnych 

tworzy monokryształ.

Bezpostaciowe (gr. amorphos) 
– nie ma uporz

ą

dkowania

Proces krzepni

ę

cia równomiernie 

ozi

ę

bionego metalu

A

B

C

D

- Materiały krystaliczne - monokryształy
- Materiały polikrystaliczne

RozróŜniamy:

Przykłady monokryształów

Ró

Ŝ

nice mi

ę

dzy ciałami krystalicznymi 

i bezpostaciowymi

-

monokryształy wykazuj

ą

anizotropi

ę

-

powolne ozi

ę

bianie daje mo

Ŝ

liwo

ść

powstania 

monokryształu

- je

Ŝ

eli drobne kryształy nie s

ą

orientowane 

to polikryształ jest izotropowy. 

- praktycznie uporz

ą

dkowanie kryształków 

nast

ę

puje podczas obróbki metalu np. 

walcowanie, ci

ą

gnienie

- ró

Ŝ

ne własno

ś

ci fizyczne dla ró

Ŝ

nych kierunków 

w krysztale, liczbowo mog

ą

si

ę

ró

Ŝ

ni

ć

o kilka rz

ę

dów

np. mika: wi

ą

zanie warstw krystalicznych jest bardzo 

słabe.

Kiedy materiał jest anizotropowy ?
Co to anizotropia?

Przyk

ł

ady alotropowych struktur w

ę

gla

diament
przezroczysty 
twardy
izolator

grafit
czarny 
miękki
przewodnik

C60 fulleren
czarny
miękki
półprzewodnik

Co to jest anizotropia ?

Materiał wykazuje ró

Ŝ

ne w

ł

asno

ś

ci fizyczne dla 

ró

Ŝ

nych kierunków w krysztale, 

-cz

ę

sto liczbowo ró

Ŝ

nica jest o kilka rz

ę

dów 

wielko

ś

ci 

-np. mika i jej w

ł

asno

ś

ci mechaniczne,

-np. w

ł

asno

ś

ci elektryczne dla ró

Ŝ

nych 

strukturalnie postaci w

ę

gla. 

Przyczyny anizotropii

- Zwi

ą

zek mi

ę

dzy budow

ą

sieci krystalicznej,

budow

ą

komórki elementarnej

a własno

ś

ciami fizycznymi materiału.

- W materiałach bezpostaciowych (polimery) 

oraz  polikrystalicznych: anizotropi

ę

mo

Ŝ

na wywoła

ć

przez obróbk

ę

materiału. 

Przyczyna anizotropii kryształów:
ró

Ŝ

nice w g

ę

sto

ś

ci atomów le

Ŝą

cych na 

ró

Ŝ

nych płaszczyznach kryształu

Zró

Ŝ

nicowana anizotropia 

np. kryształ soli kuchennej
-izotropowo

ść

dla przenikalno

ś

ci dielektrycznej, 

współczynnika załamania 

ś

wiatła

-anizotropowo

ść

dla rozpuszczalno

ś

ci, 

wł. mechanicznych

Wnioski

-

Zwi

ą

zek mi

ę

dzy budow

ą

sieci krystalicznej 

(budow

ą

komórki elementarnej)

a własno

ś

ciami fizycznymi materiału, anizotropia. 

Siły wi

ą

zania atomów

Modele mechaniczne