Kitabı oku: «О строении вещества простым языком», sayfa 6
При нагревании тела или его остывании на каждый градус поглощается или излучается какое-то количество теплоты. Это значение называют теплоемкостью.
Теплоёмкость – количество теплоты, поглощаемой телом в процессе нагревания на 1 градус.
Чем теплоемкость тела выше, тем тело нагревается медленнее. Если заварить чай в глиняной и стальной чашке, то горячий чай будет нагревать их с разной скоростью. Глиняная чашка нагревается медленнее стальной, так как теплоемкость глины выше, чем стали.
Теплопроводность
Разбирая свойство теплоемкости, мы рассмотрели пример с горячим чаем и чашками. Чай нагревает чашку, чашка отдает тепло и нагревает воздух. Это явление называют теплопроводностью.
Теплопроводность связана с теплоемкостью. Чем теплоемкость ниже, тем проще нагреть тело, значит тем оно лучше проводит тепло.
Теплопроводность – свойство тела проводить тепло от более нагретых участков к менее нагретым.
Теплопроводность возникает благодаря хаотическому движению частиц в веществе. Чем частицы двигаются быстрее, тем температура тела выше. В более нагретых частях тела частицы движутся быстрее, в менее нагретых – медленнее. Двигаясь, одни частицы сталкиваются с другими частицами и передают им часть своей энергии. В результате другие частицы тоже начинают двигаться быстрее. Увеличение скорости движения частиц приводит к увеличению температуры тела. Так, более нагретая часть тела передает часть энергии менее нагретому участку.
Электропроводность
Вы знаете, что одни вещества проводят электрический ток, другие – нет. Способность тела проводить электрический ток называют электропроводностью. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.
Создающие электрический ток частицы могут быть разные. В металлах – это электроны. В растворах, сплавах и плазме – ионы. В полупроводниках –дырки. Дырка – это место, где ранее находился электрон. Электрон заряжен отрицательно и, поскольку, его теперь нет, то место, где он находился заряжено положительно.
У всех веществ электропроводность разная. У металлов она выше, чем у неметаллов. Удельная электропроводность металлов имеет значения порядка нескольких миллионов См/м. Удельная электропроводность неметаллов имеет значения порядка 10-11 – 10-18 См/м.
Удельная электропроводность металлов (См/м)
Электропроводность зависит от температуры. Чем температура ниже, тем метал лучше проводит электрический ток. При понижении температуры электропроводимость растет. Вблизи абсолютного нуля (−273,15 °C) у металлов возникает сверхпроводимость.
Удельная электропроводность неметаллов (См/м)
Электропроводность графита значительно выше электропроводности других неметаллов. Графит имеет строение, отчасти схожее со строением металлов, что и придает ему способность хорошо проводить электрический ток.
Вещества, проводящие электрический ток называют проводниками. Вещества, непроводящие электрический ток – диэлектриками. Есть и вещества, занимающие промежуточное положение – полупроводники.
Если вещество проводит электрический ток только в специальных условиях, то его называют полупроводником. Специальные условия бывают разные: температура, облучение, наличие и концентрация примесей.
Электрические свойства зависят от температуры. Чем она выше, тем электропроводность полупроводников лучше. При температуре близкой к абсолютному нулю (-273,15 °C) полупроводники перестают проводить эклектический ток и становятся диэлектриками.
Германий, кремний, селен, теллур, мышьяк – стандартные примеры полупроводников.
Электрическое сопротивление
Электропроводность – это свойство веществ проводить электрический ток, а сопротивление – это способность вещества препятствовать протеканию тока. Сопротивление – это величина обратная электропроводности. Единица измерения этой величины – Ом.
Электрическое сопротивление зависит от температуры.
Сопротивление металлов снижается при уменьшении температуры. Вблизи абсолютного нуля сопротивление практически равно нулю.
Сопротивление полупроводников наоборот: снижается при повышении температуры. Вблизи абсолютного нуля оно максимально.
Пластичность
Если по куску пластилина ударить молотком, он сплющится или, как говорят физики, деформируется. Удар молотком физики назвали бы действием внешних сил.
Изменение формы и размеров тела под действием внешних сил называют деформацией.
Предметы имеют разную форму из-за определенного расположения образующих его частиц. При деформации эти частицы перемещаются относительно друг друга и тело приобретает новую форму.
Один из фундаментальных законов, которым подчиняется природа – Принцип минимума энергии. Согласно нему, любая система стремится работать так, чтобы ее энергетические затраты были минимальны. Расположение частиц друг относительно друга можно назвать системой.
Частицы действуют друг на друга. На маленьких расстояниях они отталкиваются, на больших – притягиваются. Любое взаимодействие основано на передаче энергии. Частицы, из которых состоят тела располагаются так, чтобы действие этих сил было минимальным.
После удара молотком, пластилин не возвращается в исходную форму. Такую деформацию называют пластичной, а тело – пластичным.
Пластичность – свойство тела сохранять приобретенную при деформации форму после прекращение действия силы.
При пластичной деформации частицы отдаляются на такое расстояние друг от друга, что перестают взаимодействовать межу собой. После прекращения действия силы им энергетически выгоднее принять новое расположение, чем вернуть начальное.
Упругость
Если сжать резиновый шарик и отпустить его, он примет начальную форму. Такая деформация называется упругой, а тело – упругим.
Упругость – свойство тела возвращается в исходное положение после прекращение действия силы.
При упругой деформации частицы отдаляются друг от друга на такое расстояние, что взаимодействие между ними сохраняется. После прекращения действия сил частицам энергетически выгоднее вернуться в исходное положение, чем принимать новое.
Хрупкость
Если по стеклянному шару ударить молотком, он рассыплется. Стеклянный шар – хрупкое тело.
Хрупкость – это свойство тело разрушаться без остаточной пластической деформации.
К хрупким материалам относятся стекло, кирпич, хрусталь, чугун, высокоуглеродистая сталь, обожжённая глина, алмаз.
Хрупкость – свойство противоположное пластичности.
Хрупкость и пластичность зависят от температуры. При повышении температуры, увеличивается пластичность. При понижении температуры увеличивается хрупкость.
Твердость
Стекло режут инструментом стеклорез. Режущий элемент изготовлен из алмаза или специального сплава. Обычная сталь стекло не разрежет. Это объясняется разной твердостью веществ. Алмаз тверже стекла, сталь – мягче.
Чтобы узнать какой материал тверже, нужно поцарапать один об другой. Тот, кто оставляет царапины тверже того, который царапается.
Твердость – свойство материала сопротивляется внедрению другого вещества.
Определят твердость веществ разными способами и измеряют ее разными величинами.
Для сравнения твердости различных материалов приведем относительную шкалу твёрдости Мооса минералов.
Шкала твердости Мооса
Благодаря этой шкале отличают минералы друг от друга и используют для определения ориентировочной твердости минералов.
Магнитные свойства
Магнитные свойства вещества – это его способность воспринимать и создавать магнитное поле.
Все вещества по магнитным свойства можно разделить на диамагнетики, парамагентики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Подробно про магниты и магнитные свойства вещества рассмотрены в следующей главе.
Текучесть и вязкость
Некоторые вещества нельзя чётко отнести к одному из агрегатных состояний, так как они имеют промежуточное состояние.
Одни тела имеют кристаллическое строение, другие – аморфное. Аморфным телам свойственно очень медленно течь. Сами же аморфные тела можно рассматривать как очень вязкие жидкости.
Тело условно можно представить как набор слоев. Одни слои могут перемещаться друг относительно друга. Чем проще им это делать, тем материал более текучий, чем тяжелее – более вязкий.
Смачиваемость и несмачиваемость
Наверняка вы замечали, что на обычной сковородке вода растекается хорошо, а на сковородке с антипригарным покрытием плохо.
Смачивание – взаимодействие поверхности тела с жидкостью.
Будет ли смачиваться поверхность жидкостью зависит от соотношения 2 факторов:
– силы притяжения (сцепления) между частицами жидкости – когезия;
– силы притяжения (сцепления) между частицами жидкости и частицами поверхности – адгезия.
На парафине или лотосе, вода не растекается, а собирается в капли. Так же ведет себя ртуть на стекле. Если сцепление частиц в жидкости сильнее, чем притяжение к частицам поверхности, то жидкость собирается в каплю. Капля имеет форму шара, так как при такой форме, энергия связей между частицами минимальная.
Если вылить ртуть на цинковую пластину, а воду на стекло или дерево, то обе жидкости растекутся на поверхности. Это происходит потому, что сцепление частиц в жидкости слабее, чем притяжение к частицам поверхности. В таком случае, частицы жидкости стремятся прижаться к поверхности тела.
Чтобы сравнить степень смачивания разных поверхностей измеряют краевой угол (θ).
По способности смачиваться водой вещества делят на:
– гидрофильные (хорошо смачиваются водой, θ < 90°);
– гидрофобные (плохо смачиваются водой, θ > 90°).
Когда жидкость полностью смачивает поверхность θ = 0°, когда жидкость абсолютно не смачивает поверхность, θ = 180°).
Выделят также супергидрофильные и супергидрофобные поверхности.
Классификация поверхностей
Адсорбция
Все мы знаем фильтры для воды. Как они работают? Почему вода, проходя через фильтр становится чистой? Всё дело в способности поглощать вещества – адсорбции.
Адсорбция – поглощение (концентрирование) вещества на поверхности или в объеме пор тела. Обратный процесс адсорбции – десорбция.
Вещество, которое поглощает называется адсорбент. Вещество, которое поглощается называется адсорбат. Вот скороговорка для запоминания: адсорбент адсорбирует адсорбат.
В зависимости от процесса адсорбции ее разделяют на физическую адсорбцию и хемосорбцию. Физическая адсорбция – поглощение веществ порами тела за счет сил межмолекулярного взаимодействия. При хемосорбции поглощаемое вещество реагирует с адсорбентом.
Промышленные адсорбенты имеют пористую структуру. Поры адсорбента делят на 3 типа:
1) микропоры – 0,5-1,0 нм, соизмеримы с размерами молекул;
2) мезопоры – от 1,5 до 100 нм;
3) макропоры – 100-200 нм.
Адсорбенты имеют соответствующие названия: микро-, мезо- и макропористые адсорбенты.
В промышленности используют 3 основных вида адсорбентов: силикагели, цеолиты и активированные угли.
Цвет
Диапазон электромагнитных волн с длинами 380 – 480 нм называют видимым излучением. Можно выделить 7 основных цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Смесь этих цветов дает белый цвет. Приведем основные цвета и соответствующие им длинны волн.
Основные цвета и соответствующие им длинны волн
Мы видим разные цвета, потому что вещества отражают и поглощают падающее на них излучение.
Возможно 4 варианта:
1. Если тело отражает весь диапазон видимого излучения, мы видим этот предмет белым. Например, лист бумаги.
2. Если весь спектр поглощается, мы видимо тело черным. Например, графит, сажа, уголь.
3. Если поглощается весь спектр, кроме одного цвета, то мы видим тело именно таким цветом.
4. Если часть цветов поглощается, а другая отражается, то мы видим смесь отраженных цветов.
Мы воспринимаем отраженные длины волн благодаря светочувствительными рецепторам находящихся в глазах: палочками и колбочками. Палочки – это аппарат сумеречного зрения, они не различают цвета, но зато очень чувствительны. Колбочки имеют меньшую чувствительность, но способны различать цвета.
Магниты
Условно все вещества можно разделить на магниты и не магниты.
Постоянные магниты
Магниты способны создавать вокруг себя особый вид материи, называемый магнитным полем. Это поле способно располагать в одном направлении (ориентировать) частицы веществ, попадающих в это поле. Этот процесс будет рассмотрен ниже.
Постоянный магнит – это тело, способное длительно создавать вокруг себя магнитное поле.
Магнитам характерны определенные свойства:
1. Разные участки магнита по-разному притягивают тела. Участки, где сила магнита максимальна, называют полюсами. Участок, где магнитные свойства не проявляются, называют нейтральной линией.
2. Любой магнит имеет северный и южный полюсы.
3. Разноименные полюса магнитов притягиваются, одноименные – отталкиваются.
4. Невозможно получить магнит с одним полюсом. При разделении магнита, образуются 2 новых магнита с двумя полюсами.
5. Магнит оказывает видимое воздействие только на определенные тела – ферромагнетики.
6. При нагревании магнита до определенной температуры, его магнитные свойства исчезают. Эта температура называется точкой Кюри. Для железа точка Кюри приблизительно ровна 770°С.
Точки Кюри для разных веществ
Почему тела намагничиваются?
Магнитные свойства любых тел определяются сочетанием эффектов на разных уровнях: электроны, атомы, кристаллы и домены. Рассмотрим каждый уровень отдельно.
У электронов есть фундаментальные характеристики: масса, заряд и магнитный момент.
С массой и зарядом мы уже знакомы. Рассмотрим отдельно магнитный момент.
Магнитное поле возникает вокруг движущихся заряженных частиц. Электрон движется вокруг ядра атома, поэтому вокруг него образуется магнитное поле.
Магнитным полем ядра атома можно пренебречь. Разберем "почему". Нейтрон, как нейтральная частица, не создает магнитное поле. Протон, как заряженная частица, создает магнитное поле, но гораздо более слабое, чем электрон.
Для характеристики магнитных свойств физики используют величину магнитный момент (М). Наличие магнитного момента у частицы означает, что она создает магнитное поле и является магнитом.
На уровне электронов постоянный магнетизм можно объяснить квантовой механикой.
При движении электрона появляется орбитальный магнитный момент (Морбит.). Кроме того, электрон характеризуется спином – собственным моментом импульса электрона. Спин не связан с движением электрона в пространстве, поэтому дополнительно к орбитальному моменту добавляется спиновый магнитный момент (Мспин). Полный магнитный момент атома (Матом) – это векторная сумма всех орбитальных и спиновых магнитных моментов. Под векторной суммой подразумевается сумма векторов, сложенных с учетом их значения и направления.
На одной орбитали могут находится максимум 2 электрона. По принципу Паули они имеют противоположные спины. Спин бывает положительный +1/2 и отрицательный -1/2.
Если на орбитали находятся 2 спаренных электрона, то их противоположные спиновые магнитные моменты компенсируют друг друга. Суммарный спиновый магнитный момент спаренных электронов равен 0. Магнитное поле атомов, имеющих только спаренные электроны не ощущается за пределами атома.
Если на орбитали 1 электрон, то суммарный спиновый магнитный момент электрона отличен от 0. Если атом содержит несколько неспаренных электронов, их магнитные моменты направлены в одну сторону, поэтому усиливают друг друга. Собственный магнетизм электронов орбиталей создает магнитное поле вокруг атома. Магнитное поле атомов, имеющих на внешнем уровне неспаренные электроны ощущается за пределами атома.
Хром, марганец, железо, кобальт, никель и другие элементы имеют на внешнем уровне неспаренные электроны.
Всё было бы хорошо, если бы не одно "но". Атомы многих элементов содержат неспаренные электроны, но их макротела не восприимчивы к магнитному полю. У хрома на внешнем уровне целых 6 неспаренных электронов, но он не притягивается магнитом. Чтобы разобраться почему это происходит, рассмотрим, что происходит на других уровнях строения магнитов.
Мы разобрались, от чего зависят магнитные свойства на уровне электронов и протонов. Атом – набор протонов, нейтронов и электронов. Протоны и электроны как заряженные частицы при движении создают вокруг себя магнитное поле. Магнетизмом протонов можно пренебречь, а магнетизм электронов создает магнитное поле атома.
То, что атом имеет магнитное поле не гарантирует, что вещество, состоящее из этих атомов, тоже будет магнитным.
Когда группа атомов собирается в кристаллическую решетку, возможны 2 ситуации.
В первом случае магнитные моменты атомов будут направлены в одну стороны. В таком случае кристалл тоже будет обладать способностью к намагничиванию.
Во втором случае магнитные моменты атомов в кристалле направлены в разные стороны и их суммарный магнитный момент равен нулю. В таком случае кристалл уже не будет обладать магнитными свойствами.
Согласно Принципу минимума энергии атомы выбирают наименее энергозатратный способ. Этим объясняется, почему отдельный атом хрома проявляет магнитные свойства, а брусок хрома уже нет.
Кроме уровня кристаллической решетки, важную роль играют домены. Что это? Кусок металла можно разбить на несколько областей. В одной области магнитные моменты атомов ориентированы в одну сторону. В другой области – в другую строну. В третьей области – в третью и так далее. Эти области называют доменами.
Суммарные магнитные моменты разных доменов могут быть направлены в одну сторону и в разные. Если магнитные моменты всех доменов направлены в одну сторону, материал способен к намагничиванию. Если в разные – неспособен.
В итоге, чтобы тело проявляло свойства постоянного магнита нужно чтобы его домены и атомы в кристаллической решетке имели соноправленные магнитные моменты. Сами же атомы должны иметь на внешнем уровне неспаренные электроны. Вероятность совпадения всех этих условий низкая, поэтому большинство тел не являются магнитами и веществ для создания постоянных магнитов очень мало.
Классификация веществ по способности к намагничиванию
В зависимости от количества неспаренных электронов и их расположения в атоме разные вещества намагничиваются по-разному. Это свойство характеризуется физической величиной магнитной проницаемостью (μ).
По величине магнитной проницаемости, вещества делят по способности к намагничиванию на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетик
Диамагнетик – тело, которое в отсутствии внешнего магнитного поля не имеет результирующего магнитного момента.
Если диамагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то у него появится магнитный момент, который называют наведенным магнитным моментом. Магнитный момент диамагнетика будет направлен встречно магнитному моменту внешнего магнитного поля и ослабевать внешнее магнитное поле.
Магнитная проницаемость диамагнетиков немного меньше единицы.
К диамагнетикам относятся:
– вода;
– медь;
– стекло;
– кварц;
– каменная соль;
– висмут;
– графит.
Парамагнетик
Парамагнетик – тело, которое в отсутствии внешнего магнитного поля имеет собственный магнитный момент. Парамагнетик обладает магнитным моментом благодаря наличию неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне. Неспаренные валентные электроны создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент.
В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов парамагнетика имеют разное направление и их векторная сумма равна 0.
Если поместить парамагнетик во внешне магнитное поле, магнитные моменты атомов сориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля и усилят его.
Магнитное притяжение парамагнетиков в сотни тысяч раз меньше ферромагнетиков, поэтому оно практически не ощущается.
Магнитная проницаемость парамагнетиков немного больше единицы.
К парамагнетикам относят:
– воздух (смесь N2, O2 и других газов);
– кислород (O2);
– эбонит;
– алюминий (Al);
– вольфрам (W);
– платина (Pt).
Ферромагнетики
Ферромагнетики – тела, имеющие сильную способность к намагничиванию.
Как и в случае с парамагнетиками, ферромагнетики обладают собственным магнитным моментом благодаря наличию не скомпенсированного спинового момента валентных электронов. В отличие от диамагнетиков, магнитные моменты атомов ферромагнетика поляризованы в одном направлении и параллельны друг другу. Такое строение придает ферромагнетикам собственную намагниченность.
Атомы, имеющие сонаправленные магнитные моменты объединяются в домены. Наличие доменов и отличает ферромагнетики от диа- и парамагнетиков.
Домен – элементарный объем ферромагнетика, в котором нескомпенсированные спиновые моменты внешних электронов расположены параллельно друг другу.
В отсутствие внешнего магнитного поля результирующие магнитные моменты доменов направлены хаотично и ферромагнетик не намагничен.
Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, ориентация магнитных моментов доменов выровняется вдоль силовых линий магнитного поля и произойдет намагничивание ферромагнетика. Такая переориентация усилит внешнее магнитное поле в миллионы раз. Такой эффект способно оказать даже очень слабое магнитное поле, такое, как магнитное поле Земли.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков гораздо больше единицы.
К ферромагнетикам относятся:
– железо (Fe);
– никель (Ni);
– кобальт (Co);
– сплавы редкоземельных металлов (Скандий (Sc), Иттрий (Y), Лантан (La) и Лантаноиды).
Антиферромагнетики
Антиферромагнетики – тела, магнитные моменты атомов которых, равны между собой, но направлены антипараллельно друг к другу.
Антиферромагнетики имеют слабую способность к намагничиванию и ведут себя как слабые парамагнетики.
Вещество приобретает свойства антиферромагнетика при температуре, ниже так называемой точки Нееля.
К антиферромагнетикам относятся:
– хром (при 37 °С);
– марганец (при -173 °С);
– редкоземельные металлы;
– твердый кислород (при -249 °С);
– некоторые соли железа, кобальта, никеля;
– и другие вещества.
Ферримагнетики
Ферримагнетики – тела, магнитные моменты атомов которых, антипараллельны друг другу и имеют разную величину.
Ферримагнитное упорядочивание
Из-за такого строения суммарный магнитный момент ферримагнетика отличен от 0 и поэтому они обладают собственной намагниченностью.
Из ферримагнетиков изготавливают ферриты, широко используемые в радиотехнике и электронике.
Магниты используются во многих отраслях человеческой деятельности: строительстве, нефтепереработке, медицине, транспорте, металлургии, приборостроении и т.д.
Заключение
Наше путешествие в глубины материи подошло к концу. На самом деле, это далеко не конец.
Современная физика пришла к выводу, что протоны и нейтроны состоят из еще меньших частиц – кварков. Кроме кварков, существуют и другие фундаментальные кирпичики материи. Узнать об этом можете в теории "Стандартная модель".
Каждая фундаментальная частица создает поле, где материализация частицы – следствие колебания этого поля. Подробнее об этому можно узнать, изучив Квантовую теорию поля.
Если копнуть еще глубже, окажется, что все субатомные частицы созданы так называемыми струнами. Струны – протяженные объекты, которые колеблются с определенной частотой. Определенная частота соответствует одной из фундаментальных частиц.
Данные теории не были рассмотрены в этой книге, но настоятельно советуем Вам знакомиться с ними.
Спасибо, что дочитали до этих строк. Желаем успехов в изучении нашего общего интереснейшего мира!
