Хотя разных атомов в природе всего около ста, из них состоят миллионы различных веществ. Например, графит и алмаз состоят из одних и тех же атомов – углерода, но по-разному расположенных. Поэтому и свойства графита и алмаза так сильно отличаются. Кристаллы графита легко расслаиваются на тончайшие «чешуйки», поэтому твёрдый графит используют для грифелей в карандашах а также в виде «сухой смазки» для металлических деталей. Алмаз, напротив, самый твёрдый минерал на Земле (от греч. адамас – твёрдый, несокрушимый). Его используют для резки и сверления стекла, бурения скважин в скалах и обработки других «несокрушимых» материалов.

Графит состоит из слоёв атомов. Атомы одного слоя связаны между собой сильнее, чем атомы, принадлежащие соседним слоям: в одном слое расстояние между атомами в 2,5 раза меньше кратчайшего расстояния между слоями (см. рисунок). Наличие слабо связанных атомных слоев приводит к тому, что графит легко расщепляется и может служить смазочным материалом.

У алмаза плотнейшая «упаковка» атомов, каждый из них имеет четырёх соседей, которые расположены в вершинах фигуры тетраэдра (эдакого трёхмерного равностороннего треугольника - см. рисунок). Весь кристалл представляет собой каркас высочайшей прочности, равной по всем направлениям.

Кроме прочности (и её противоположности – хрупкости), к механическим свойствам тел относят также упругость (свойство атомов, сохраняя своих соседей, значительно удаляться или приближаться к ним, возвращаясь на прежнее место при прекращении внешнего воздействия) и пластичность (свойство атомов одной части тела при наличии внешнего воздействия перемещаться в другую часть тела, меняя своих соседей).

Расмотрим эти понятия, используя модель «потенциальная яма». Она заключается в том, что взаимодействие атомов или других частиц можно представить графически – кривой взаимодействия или кривой потенциальной энергии. Смысл её легко понять, сравнивая эту кривую с профилем вырытой в земле ямы. Если в такую яму вкатить мячик, то он расположится на дне. Дно ямы соответствует минимуму потенциальной энергии. В этом положении действующие на мячик силы уравновешиваются. По мере подъёма мячика по стенке ямы растёт его потенциальная энергия – быстро, если стенки ямы «крутые», и медленно, если «пологие».

Например, молекула – это устойчивое образование из нескольких атомов. Поэтому говорят, что атомы молекулы находятся в «потенциальных ямах», определяющих устойчивость всей молекулы. Однако внешнее воздействие (например, большая сила, высокая температура или химическая реакция) способно «выкатить» атом из потенциальной ямы, то есть оторвать его от соседей по молекуле.

Вернёмся теперь к более простым случаям – веществам немолекулярного строения, то есть состоящим только из атомов. Возможны следующие случаи: а) атомы не меняют своих соседей, то есть при внешнем воздействии «вкатываются» по стенкам своих потенциальных ям, а при его исчезновении «скатываются» обратно и б) атомы меняют своих соседей, то есть «перекатываются» из одной потенциальной ямы в другую, и остаются там после снятия внешнего воздействия.

Исследования показали, что при растяжении стали и сплавов расстояние между каждой парой атомов возрастает, а при сжатии – уменьшается. При этом атомы не меняют своих соседей, то есть остаются в тех же потенциальных ямах. Под действием внешней силы атом отходит от дна ямы и несколько «поднимается» по стенке. Как только сила перестаёт действовать, атом «возвращается» на дно ямы. Чтобы тело обладало заметной упругостью, стены ямы должны быть пологими, только в этом случае атом удастся «откатить» от положения равновесия на заметное расстояние, то есть тело будет обладать заметной упругостью.

Если внешняя сила, действующая на тело, способна «выкатить» атом из потенциальной ямы, то есть способна оторвать атом от соседей, возможен следующий случай. Выкатившись из своей потенциальной ямы, атом «скатывается» в соседнюю. Иными словами, оторвавшись от своих соседей, атом перехватывается другими атомами. После того как сила прекращает свое действие, атом сам по себе не может вернуться в прежнюю потенциальную яму.

При пластическом изменении формы тела части кристалла смещаются, соскальзывают вдоль плоскостей кристалла, перпендикулярно к которым действуют наиболее слабые силы взаимодействия. Такие слабосвязанные плоскости имеются у глины, олова, слюды и уже упомянутого нами графита. Во всех этих веществах можно наблюдать соскальзывание одной части кристалла по отношению к другой.

В хрупких телах, таких как стекло или кирпич, потенциальная яма имеет очень крутые стенки (отсутствие упругости), кроме того, соседние ямы разделены между собой широким плато, поэтому вышедший из потенциальной ямы атом не попадает в соседнюю. Это значит, что материал под действием изгибающих, ударных и толчковых нагрузок не изменяет свою форму, а сразу разрушается. К хрупким материалам относится, например, стекло, природные камни, искусственные стеновые камни и бетон. Строение их в основном зернистое. Хрупкость материалов считается недостатком.

Напоследок заметим, что механические свойства веществ и изготовленных из них материалов в значительной степени зависят от примесей и различного рода дефектов внутреннего строения. И картины и модельные сравнения, описанные выше, претендуют лишь на то, чтобы дать первое представление об основных причинах в различии механических свойств тел.

(C) 2010. Иванова Татьяна Анатольевна (г. Красноярск)