Твердые вещества

Твердые вещества состоят из плотноупакованных частиц. Этими частицами могут быть атомы, молекулы либо ионы. Большинство твердых веществ находится в кристаллической форме. Это означает, что образующие их частицы предельно упорядочены в регулярной пространственной структуре.

Существуют, однако, и такие твердые вещества, в которых частицы не настолько упорядочены, чтобы образовывать регулярную кристаллическую структуру. Такие твердые вещества называются аморфными. Примером аморфного вещества является стекло. Его атомы имеют беспорядочное расположение. К аморфным веществам относится большинство полимеров. Полимеры имеют макромолекулярную цепочечную структуру, образуемую звеньями из небольших молекул, которые называются мономерами (см. гл. 20). Полимерные макромолекулы имеют неодинаковые размеры и поэтому не могут плотно упаковываться, образуя упорядоченное расположение.

Одно время считалось, что древесный уголь, кокс и сажа-разные формы углерода-являются аморфными веществами. Однако рентгеноструктурный анализ показал, что все эти формы углерода состоят из мелких графитоподобных кристаллов.

Рентгеноструктурный анализ

Дифракция

Описанием структуры кристаллов занимается наука кристаллография, самым действенным экспериментальным методом которой является рентгеноструктурный анализ. Этот метод основан на изучении рассеяния рентгеновских лучей, направляемых на исследуемые кристаллы.

Когда распространяющийся плоский фронт волн на поверхности воды достигает перегородки, в которой есть узкая щель, волны выходят из нее кругами (рис. 3.15). Это явление называется дифракцией. Дифракция присуща всем видам излучения, включая радиоволны, световые волны и рентгеновские лучи. При наличии в перегородке нескольких щелей каждая из них оказывается источником круговых или сферических волн. Эти волны интерферируют (взаимодействуют) друг с другом, взаимно уничтожаясь в одних местах и усиливаясь в других местах. Возникает своеобразная дифракционная картина.

Если направить рентгеновские лучи на кристалл, они частично поглотятся кристаллом, а частично пройдут его насквозь. Поглощаемые рентгеновские лучи вызывают возбуждение электронов в атомах кристалла. Когда электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни, атомы вновь испускают рентгеновские лучи. Те из них, которые имеют совпадающую фазу, усиливают друг друга и могут быть обнаружены. Те же лучи, которые имеют противоположную фазу друг по отношению к другу, взаимно уничтожаются и не могут быть обнаружены (рис. 3.16). Таким образом, вновь испускаемые рентгеновские лучи образуют дифракционную картину.

Уильям Генри Брэгг (1862-1942) Уильям Лоуренс Брэгг (1890 1971).

В 1912 г. немецкий физик Макс фон Лауэ предположил, что кристаллы могут служить дифракционными решетками для рентгеновских лучей. Ему удалось получить дифракционную картину от кристалла пентагидрата сульфата меди(II) CuSO4 5H2O.

Вслед за этим открытием английские ученые Уильям Генри Брэгт и его сын Уильям Лоуренс Брэгг разработали методику рентгеноструктурного анализа на основе изучения дифракции и стали применять ее для определения структуры кристаллов. Они были совместно награждены Нобелевской премией по физике в 1915 г. Первая структура, которую они определили, была структура сульфида цинка, имеющего кубическую форму. В последующие годы Брэгги определили кристаллическую структуру многочисленных неорганических соединений, минералов, металлов и белков.

 

Оглавление: