Der feste Zustand

Hier herrscht Ordnung.

Die kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) sind unverrückbar und fest an ihren Plätzen, und sie sind in regelmäßiger, sich endlos wiederholender Anordnung in alle 3 Raumrichtungen aneinandergereiht. Es liegt Fernordnung vor.

Nein, ganz so ordentlich geht es auch bei den kleinsten Teilchen nicht zu. Die Regeln, wie sie im vorigen Absatz aufgezeigt wurden, bilden aber ein Modell, das die Wirklichkeit sehr gut beschreibt. Man nennt es den idealen Festkörper. Eine weitere wichtige Aussage dieses Modells ist, dass die Lage der Teilchen durch die gegenseitigen starken Anziehungskräfte festgelegt ist.

Allerdings können vielerlei Abweichungen von diesem Idealzustand auftreten. Dazu gehören :

Fernordnung im idealen Festkörper
und Ausbildung von Kristallen

Fernordnung

Im idealen Festkörper sind die kleinsten Teilchen regelmäßig angeordnet. Diese regelmäßige Anordnung tritt nicht nur in der Umgebung eines Teilchens auf, sondern sie setzt sich endlos fort. Dadurch sind auch in einer Entfernung von vielen Tausend oder Millionen Teilchen die Teilchen noch in genau derselben Weise angeordnet wie beim Ausgangsteilchen. Die Ordnung pflanzt sich also von einem Teilchen aus in die Ferne fort.

 

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Welche Beobachtungen kann man mit dem Modell des idealen Festkörpers erklären ?

Festkörper bilden Kristalle

Kristallbildung ist die Konsequenz der Fernordnung. Die Fernordnung bewirkt, dass Teilchen reihenweise nebeneinander liegen. Es bilden sich glatte Flächen aus, die das Kennzeichen von Kristallen sind.

Festkörper sind anisotrop

Festkörper sind anisotrop, das heißt, ihre Eigenschaften sind richtungsabhängig. Beispiele für solche Eigenschaften sind Härte, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Lichtbrechung, thermische Ausdehnung und viele andere.

Anisotropie in Festkörpern (Kristallen)

Das lässt sich auch leicht einsehen. Betrachten Sie dazu in der schematischen Darstellung des Festkörpers rechts die beiden Pfeile. In Richtung des waagrechten Pfeils haben die kleinsten Teilchen einen viel größeren Abstand als in Richtung des schrägen Pfeils. Ebenso berührt der waagrechte Pfeil nur blaue Teilchen, während der schräge Pfeil braune und blaue Teilchen (die hier für verschiedene Arten von Atomen oder Ionen stehen) berührt.

Der Kristall wird also in Richtung des waagrechten Pfeils andere Eigenschaften haben als in Richtung des schrägen Pfeils. Natürlich können Sie entsprechende Überlegungen auch für Pfeile in allen anderen Richtungen durchführen.

Im Projekt können Sie mehr über physikalische Eigenschaften und Stoffe erfahren, bei denen Anisotropie von besonderer Bedeutung ist.

2 kleine Kupfersulfat–Kristalle

Festkörper haben eine feste Form

Die Lage der kleinsten Teilchen ist unveränderlich, und das im gesamten Kristall. Wie sollte sich da die Form des Körpers verändern können ?

Festkörper sind kaum kompressibel

Nur unter sehr hohem Druck findet eine geringe Volumenänderung statt. Das ist leicht zu verstehen, denn die Teilchen befinden sich schon dicht beieinander und können kaum noch näher zusammenrücken. Das Argument ist also dasselbe wie bei Flüssigkeiten.

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Welche Beobachtungen kann man mit dem Modell des idealen Festkörpers nicht erklären ?

Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus

Das Modell des idealen Festkörpers besagt, dass die kleinsten Teilchen unbeweglich an ihren Plätzen angeordnet sind, und zwar unabhängig von der Temperatur. Sie sollten also beim absoluten Nullpunkt dieselben Positionen einnehmen wie direkt unterhalb des Schmelzpunktes.

Die Beschreibung thermischer Schwingungen (sie sind der Grund für die Ausdehnung) gehören also nicht zu dem, was das Modell des idealen Festkörpers leistet. Man wird sich nach einem besseren Modell umsehen müssen.

Festkörper haben nicht immer eine feste Form

Viele Festkörper lassen sich unter geringem Kraftaufwand verformen. Denken Sie zum Beispiel an Gummi oder nicht allzu dicken Metalldraht. Bei einer Verformung des Gegenstandes ändern natürlich auch die kleinsten Teilchen ihre gegenseitige Lage. Das sollte im idealen Festkörper unmöglich sein, denn dort sind sie ja unverrückbar an ihren Plätzen.

In realen festen Gegenständen liegen also keine idealen Festkörper vor. Es können Baufehler im Kristall auftreten, ein Gegenstand kann aus vielen kleinen Kristallen zusammengesetzt sein, und anderes mehr. Hier liegen die Gründe für die Verformbarkeit.

Gläser und amorphe Stoffe

Gläser und amorphe Stoffe sind dem Anschein nach fest. Jedoch liegt in ihnen keine Fernordnung, sondern nur Nahordnung vor.

Lesen Sie demnächst

mehr Informationen über Festkörper

Auf dieser Seite haben Sie die Anordnung der kleinsten Teilchen im Festkörper kennen gelernt. Eine Frage ist aber offen geblieben. Warum bleiben die kleinsten Teilchen zusammen ? Mehr dazu auf der Seite über Bindungen im Festkörper.

 

 

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