Štruktúra a vlastnosti tuhých látok. Kryštalická mriežka. Typy deformácie.

Pevné látky sa od kvapalných a plynných látok líšia v pevnej vnútornej štruktúre. Plyny a kvapaliny prispôsobujú svoj tvar tomu, aký tvar má nádoba, v ktorej sú uskladnené. Pevné látky majú svoj stály tvar.

Z hľadiska vnútornej štruktúry sú atómy viazané pevne v priestore pomocou väzieb. Potenciálna energia častíc v dôsledku väzbových síl je omnoho väčšia ako kinetická energia častíc, a preto častice zotrvávajú v stabilnom usporiadaní.

Amorfné a kryštalické látky

Z pohľadu usporiadania atómov v štruktúre delíme látky na amorfné a kryštalické.

Amorfné látky majú náhodné usporiadanie častíc v mriežke. V blízkosti jednej častice sa ostatné javia usporiadané približne pravidelne, ale pri väčšej vzdialenosti vidno, že táto pravidelnosť sa porušuje. Hovoríme, že amorfné látky majú krátkodosahové usporiadanie. Na druhej strane, kryštalické látky tvoria pravidelnú usporiadanú štruktúru aj na veľké vzdialenosti. Hovoríme, že kryštalické látky majú ďalekodosahové usporiadanie.

Kryštalické látky ďalej delíme na monokryštály, v ktorých sú častice usporiadané do jednej opakujúcej sa mriežky. Tá sa opakuje v celom kryštáli. Sem patrí napríklad soľ, diamant, ale aj umelo vytvorený kryštál kremíku. Druhú skupinu tvoria polykryštály. Polykryštály majú štruktúru náhodne usporiadaných zŕn, v ktorých sú častice usporiadané pravidelne.

Kryštalická mriežka

Vďaka usporiadanosti častíc v kryštáloch je celkom jednoduché definovať polohu častíc pomocou trojrozmerných telies, ako napríklad kocka, kváder, kosý hranol, šesťboký hranol, kde sa častice nachádzajú buď vo vrcholoch (jednoduchá mriežka), vo vrcholoch a v strede telesa (priestorovo centrovaná mriežka), vo vrcholoch a v stredoch strán (plošne centrovaná mriežka).

Váha atómov a veľkosť elementárnej bunky určujú hustotu danej látky. Pri určovaní hustoty látky je potrebné poznať vzdialenosť medzi dvomi atómami, v kubickej mriežke stačí poznať hranu elementárnej bunky. Túto dĺžku nazývame aj mriežková konštanta. Napríklad pre polónium, ktoré kryštalizuje v jednoduchej kryštalickej mriežke, je mriežková konštanta 0,334 nm. Okrem rozmerov na určenie objemu, potrebujeme poznať aj počet atómov na jednu elementárnu bunku, aby sme vedeli určiť hmotnosť.

Ak sa atóm nachádza vo vrchole, iba jedna jeho osmina patrí do danej bunky. (Na obrázku vidno, že spodnú polovicu atómu sme rozdelili na 4 časti a každá patrí do inej elementárnej bunky. Rovnako by sme rozdelili aj hornú polovicu na 4 časti, preto atóm vo vrchole zasahuje len $\frac{1}{8}$ do elementárnej bunky.)

Ak sa atóm nachádza v strede steny (pri plošne centrovanej bunke), tak polovicou zasahuje do jednej bunky a druhou polovicou do druhej bunky.

Ak je atóm v strede bunky (ako pri priestorovo centrovanej), tak sa celý nachádza v jednej bunke.

Takže na jednu jednoduchú kubickú elementárnu bunku pripadá v každom z ôsmich vrcholov $\frac{1}{8}$ atómu, takže celkovo jedna bunka obsahuje $8·\frac{1}{8}$ atómu, čo je spolu 1 atóm.

Na plošne centrovanú kubickú elementárnu bunku pripadá v každom z ôsmich vrcholov $\frac{1}{8}$ atómu, a na každej zo šiestich strán polovica atómu, takže dohromady $8x·\frac{1}{8}$ atómu + $6·\frac{1}{2}$ atómu, čo spolu dáva $1+3=4$ atómy.

Na priestorovo centrovanú kubickú elementárnu bunku pripadá v každom z ôsmich vrcholov $\frac{1}{8}$ atómu plus jeden celý atóm v strede bunky. Takže spolu $8·\frac{1}{8}$ atómu plus 1 atóm, čo dáva 2 atómy na jednu elementárnu bunku.

Trojrozmerné teleso, ktoré znázorňuje usporiadanie častíc, nazývame základná, alebo elementárna bunka. Znázornenie niekoľkých takýchto telies vo všetkých smerov vytvorí geometrickú mriežku. Ak umiestnime veľké množstvo základných buniek pozdĺž ich predĺžených hrán, vytvoríme kryštál akýchkoľvek rozmerov. V takomto prípade hovoríme o ideálnej kryštálovej mriežke.

Poruchy kryštálovej mriežky

Skutočná mriežka sa od ideálnej môže líšiť a to hlavne rôznymi typmi porúch. Častice môžu buď v mriežke chýbať (vakancia), alebo tam môžu byť navyše (intersticiálna poloha), prípadne sa môže v mriežke nachádzať iná častica (prímes). Takýmto chybám hovoríme bodové poruchy, pretože sa týkajú jedného bodu v mriežke.

Okrem porúch bodových môžu v kryštáli nastať aj poruchy čiarové, takzvané dislokácie. Tie vznikajú napríklad pri raste samotného kryštálu, alebo pri kovaní kovov.

Typy deformácie

Vďaka mriežke (či už pravidelnej, alebo nepravidelnej) majú pevné látky stály tvar. Ten sa navonok javí ako nemenný, ak na teleso nepôsobia vonkajšie sily dostatočnej veľkosti. Ak teleso vplyvom vonkajších síl mení svoj tvar alebo rozmery, tak vtedy hovoríme o deformácii telesa. Deformácie delíme podľa toho, či sú trvalé alebo dočasné na plastické (trvalé) a elastické (dočasné).

V závislosti od smeru pôsobenia síl rozoznávame 5 typov deformácií:

a) Deformácia ťahom

Deformácia ťahom: vzniká vtedy, ak na teleso pôsobia sily na jednej priamke v smere von z telesa.

b) Deformácia tlakom

Deformácia tlakom: vzniká vtedy, ak na teleso pôsobia sily na jednej priamke v smere dovnútra telesa.

c) Deformácia šmykom

Deformácia šmykom: vzniká vtedy, ak dve opačne pôsobiace sily pôsobia na teleso, ale nie na jednej priamke.

d) Deformácia ohybom

Deformácia ohybom: je spôsobená silou, ktorá pôsobí kolmo na pozdĺžnu os súmernosti telesa. Napríklad, ak je teleso podopreté na dvoch koncoch a v strede pôsobí sila nadol. Deformáciu ohybom môžeme chápať aj ako zloženie deformácie ťahom v dlhšej časti deformovaného telesa a deformáciu tlakom v kratšej časti deformovaného telesa.

e) Deformácia krútením

Deformácia krútením: ak na dva konce telesa pôsobia dvojice síl v opačnom smere, dochádza k deformácii krútením.