A szilárdtestfizika a modern technológiai társadalom egyik pillére. Lényegében mérnökök egész serege dolgozik azon, hogy a szilárd anyagokat a lehető legjobban kihasználják a legkülönfélébb szerszámok, szerszámgépek, mechanikai és elektronikus alkatrészek tervezése és gyártása során, amelyek olyan területeken szükségesek, mint a kommunikáció, a szállítás, a számítástechnika és az alapvető kutatás.

SZILÁRD ANYAGOK TULAJDONSÁGAI

A szilárd anyagok fizikai tulajdonságai közé tartoznak a mechanikai, termikus, elektromos, mágneses és optikai tulajdonságok. Tanulmányozásuk során megfigyelik, hogyan viselkedik a minta hőmérséklet, nyomás vagy térfogat változásakor, mechanikai igénybevétel, elektromos és mágneses mezők, hőmérsékleti gradiensek, valamint különféle sugárzások – fény, röntgen, elektronsugarak – hatására. , neutronok stb.

Szerkezet.

A szilárd test atomokból áll. Már a létezése is jelzi az atomokat összekötő intenzív vonzó erők és a taszító erők jelenlétét, amelyek nélkül nem lennének hézagok az atomok között. Az ilyen kölcsönhatások következtében a szilárd test atomjai részben elvesztik egyéni tulajdonságaikat, és ez magyarázza az atomrendszer új, kollektív tulajdonságait, amelyet szilárd testnek nevezünk.

Milyen természetűek ezek az erők? A szabad atom egy pozitív töltésű magból és bizonyos számú negatív töltésű elektronból áll (amelyek tömege lényegesen kisebb, mint az atommag tömege). A jól ismert Coulomb (elektromos) erők, amelyek a töltött részecskék között hatnak, vonzást keltenek az atommag és az elektronok között, valamint kölcsönös taszítást az elektronok között. Ezért a szilárd testet úgy tekinthetjük, mint amely kölcsönösen taszító atommagok rendszeréből és kölcsönösen taszító elektronok rendszeréből áll, és mindkét rendszer vonzza egymást. Egy ilyen objektum fizikai tulajdonságait két alapvető fizikai elmélet határozza meg - a kvantummechanika és a statisztikai mechanika. Bár a részecskék közötti kölcsönhatások természete ismert, szokatlanul nagy számuk (~ 10 22 atommag és még több elektron per 1 cm 3) nem teszi lehetővé, hogy pontos elméleti leírást adjunk a szilárd testről. ELEKTROMOSSÁG ÉS MÁGNESSÉG; KVANTUMMECHANIKA;

STATISZTIKAI MECHANIKA.

A szilárdtestfizikában elterjedt a szilárd testek egyszerűsített modellje, majd fizikai tulajdonságaik számítása. A modelleknek elég egyszerűnek kell lenniük ahhoz, hogy elméleti leírásuk lehetséges legyen, ugyanakkor elég összetettnek ahhoz, hogy rendelkezzenek a vizsgált tulajdonságokkal. Például az elektromos vezetőképesség egyes általános mintáinak magyarázatára egy egyszerű fém modell, amely pozitív ionok rendszere formájában van elmerülve a mozgó elektronok gázába, meglehetősen alkalmas. De rendkívül nehéznek bizonyult megfelelő fizikai modell megalkotása, amely legalább minőségileg megmagyarázná a szupravezetés jelenségét, amelyet Kamerlingh Onnes holland fizikus fedezett fel 1911-ben.

Szupravezetés.

Ismeretes, hogy alacsony hőmérsékleten sok fémnek és ötvözetnek szokatlanul megnövekszik az elektromosság-vezető képessége. (Az elektromos áram az elektronok rendezett mozgása.)

1956-ban L. Cooper amerikai fizikus arra a következtetésre jutott, hogy bizonyos körülmények között a fémben lévő vezetési elektronok gyengén kötött párokat alkothatnak. Ezek a Cooper-párok támasztják alá a híres Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) szupravezetés-elméletet, amelyet 1957-ben építettek fel; 1972-ben ezt a három amerikai fizikust díjazták Nóbel díj.

Szupravezető állapotban az anyag nem áll ellen az elektromos áramnak. Ezért a szupravezető anyagok nagy érdeklődésre tartanak számot az energiamérnökök számára, akik például az átvitel során támaszkodnak rájuk elektromosság jelentős távolságokra hő- és egyéb veszteségek nélkül. Egy bizonyos felett azonban (ún kritikai) hőmérsékleten, a szupravezetés megszűnik, és a fém visszanyeri elektromos ellenállását. Bizonyos körülmények között a szupravezetést is tönkreteszi a mágneses tér. A szupravezetőn áthaladó elektromos áram saját mágneses teret hoz létre a felületen, ezért a szupravezető áramsűrűségnek van egy felső határa, amely felett a szupravezetés is megbomlik. Mindez, és elsősorban az alacsony kritikus hőmérsékletek korlátozzák a szupravezetők széleskörű felhasználásának lehetőségeit. A szupravezetőket folyamatosan folyékony hidrogénnel, vagy még jobb esetben folyékony héliummal kell hűteni. Azonban a szupravezető tekercsek (például nióbiumot tartalmazó titánötvözetekből) már széles körben elterjedtek elektromágnesekben. Folytatódik a kutatás a magasabb kritikus hőmérsékletű új anyagok (köztük szerves kristályok és polimerek) után, valamint a szupravezetők további alkalmazásának lehetőségéért. A szakértők abban reménykednek, hogy a következő években megkezdődik a szupravezetők széles körű alkalmazása az ipari villanymotorokban és generátorokban. A szupravezetők alkalmazása a vasúti közlekedésben különösen izgalmas kilátásokat rejt magában. Amikor a mágnes a vezetőhöz képest elmozdul, örvényáramok indukálódnak a vezetőben, ami viszont olyan mágneses mezőket hoz létre, amelyek taszítják a mozgó mágnest. Ha például egy vonatot szupravezető mágnessel látunk el, és a sínt vezetőként használjuk, akkor a mágneses felfüggesztés (levitáció) hatását érhetjük el. Úgy gondolják, hogy az ilyen maglev vonatok számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos és légpárnás vonatokkal szemben.

Josephson-effektus.

A szupravezetés területén a fejlődés másik irányát B. Josephson angol fizikus munkája indította el, aki 1962-ben megjósolta a Cooper-elektronpárok egyik szupravezetőből a másikba való áthaladásával (kvantummechanikai alagúttal) kapcsolatos elképesztő hatások lehetőségét. vékony réteg szigetelőanyag. A kísérletek hamarosan megerősítették jóslatait. Egy ilyen csomópont (úgynevezett Josephson-csomópont) egyik érdekes tulajdonsága, hogy a Cooper-párok árama a szupravezetők közötti potenciálkülönbség hiányában is lehetséges. (A klasszikus fogalmak szerint elektromos áram csak a különböző potenciálú pontok között lép fel.) Ennél is szembetűnőbb azonban az a hatás, hogy a Josephson-átmenetre alkalmazott állandó potenciálkülönbség váltakozó áramot hoz létre a csomóponton. Ennek az áramnak a frekvenciáját az egyszerű képlet adja meg n= 2eV/h, ahol 2 e– a Cooper elektronpár töltése, V az alkalmazott feszültség, és h– egy Planck-állandónak nevezett alapállandó.

Nem meglepő, hogy Josephson elméleti előrejelzéseit a fizika és a technológia kutatási hulláma követte. A Josephson-effektuson alapuló eszközöket ultraérzékeny detektorként használták a rádiócsillagászattól az orvosbiológiai alkalmazásokig számos területen. 1973-ban Josephson Nobel-díjat kapott a szilárdtestfizikához való hozzájárulásáért.

Tranzisztorok.

Talán a legnagyobb hatással a fejlődésre modern fizika szilárdtestet az amerikai fizikusok 1949-ben tett felfedezései befolyásolták: pont (J. Bardeen, W. Brattain) és síkbeli (W. Shockley) átmenettel rendelkező tranzisztorok. Ezeket a felfedezéseket a szilárd anyagok egy speciális osztálya, a félvezetők elektromos tulajdonságainak tanulmányozása során tették.

A tranzisztor volt az első félvezető eszköz, amely képes volt ellátni a vákuumtrióda (anódból, katódból és rácsból álló) funkcióit, mint például az erősítést és a modulációt. A tranzisztornak kétségtelen előnyei voltak a vákuumcsővel szemben, mivel nem igényelt izzószál áramot a katódtól, lényegesen kisebb volt a mérete és súlya, valamint hosszabb az élettartama. Ezért a tranzisztorok hamarosan felváltották a vákuumcsöveket, és forradalmasították az elektronikai ipart. Ennek a forradalomnak a második szakasza az egyes tranzisztorokról az integrált áramkörökre való átmenetnek felelt meg. Egy ilyen mikroáramkör sok ezer áramköri komponenst tartalmaz egy 1 mm2 területű szilícium egykristály (chip) felületén. A mikroszkopikus és atomi szintű elektrotechnikát általában mikroelektronikának nevezik. A félvezetők területén végzett alapkutatásaiért és a tranzisztorhatás felfedezéséért olyan anyagokban, mint a germánium és a szilícium, Shockley, Bardeen és Brattain 1956-ban Nobel-díjat kapott. INTEGRÁLT ÁRAMKÖR; TERMÁLIS ELEKTRONKIBOCSÁTÁS.

A szilárd anyagok tulajdonságainak széles skálája, műszaki alkalmazásuk szélessége, valamint az új szilárd kémiai vegyületek létrehozásának gyakorlatilag kimeríthetetlen lehetőségei a szilárdtestfizikát az egyik első helyre teszik olyan tudományágakban, mint a fizika, kémia, kohászat, különböző területeken mérnöki gyakorlat, valamint biológiai és orvosi tudományok. A szilárdtestfizika a fizika ágai közül a legnagyobb; a fizikával foglalkozó kutatók hozzávetőleg egynegyedét foglalkoztatja, és a tudományos publikációk megfelelő hányadát fordítják rá. Különösen értékes a szilárdtestfizika interdiszciplináris jellege, valamint elméletének, kísérleteinek és gyakorlati alkalmazásai által a tiszta tudományra és technológiára gyakorolt ​​gyümölcsöző befolyás.

A kristályok szimmetriája és osztályozása.

A krisztallográfia (a szó némileg korlátozott értelmében) az a tudomány, amely a kristályok geometriai tulajdonságait és osztályozását írja le a szimmetria fogalma alapján. A kristályszerkezet tanulmányozása a szilárdtestfizika középpontjában áll. A krisztallográfiai adatok nagy része a 19. század végére felhalmozódott.

A természetes ásványokból, például berillből, gyémántból vagy kősóból származó minták lapos felülettel és egyenes élekkel rendelkeznek, amelyek meghatározzák a jellemzőjüket. kinézet(1. ábra). Az ilyen anyagokat általában kristályoknak nevezik, bár ezt a kifejezést már a középkor vége előtt is kizárólag a kvarcra használták. Az első ásványkutatókat elsősorban a kristályok alakja érdekelte, i.e. morfológiájuk. N. Stenon, a toszkán nagyherceg udvarának dán orvosa és a geológia kutatója 1669-ben fedezte fel a lapok közötti szögek állandóságának törvényét. Stenon törvénye szerint egy adott anyag megfelelő kristálylapjai közötti szögek minden kristályánál azonosak. Ennek a törvénynek az érvényességét többször is megerősítették, különösen R. de Lisle 1772-ben végzett számos mérése után. Jóval ezt megelőzően olyan tudósok, mint Kepler, Descartes, Huygens és Hooke azt javasolták, hogy a kristályok külső formái a helyes (szabályos) ) gömb vagy ellipszoid részecskék belső elrendezése. 1782-ben R. Ayui általánosította ezeket az elképzeléseket. Úgy vélte, hogy egy háromdimenziós, párhuzamos cső alakú kristály azonos „téglákból” áll. Erre az elképzelésre alapozva H. Weiss 1808-ban bevezette a három vektorral meghatározott krisztallográfiai tengelyek rendszerét. a, b, c, amelyek az Ayui „tégla” három oldalának felelnek meg, azaz. egységcella. Pontok (csomópontok) végtelen halmaza, amelyek helyzetét egy vektor határozza meg R = n 1 a + n 2 b + n 3 c, Ahol n 1 , n 2 és n A 3 egész számok, amelyeket térhálónak nevezünk. Egy ilyen rács nem kristály, hanem tisztán matematikai objektum. Felhasználható azonban kristály építésére, ha minden csomópontjára egy vagy több atomból álló ismétlődő elemet helyezünk (2. ábra). Ezzel szemben a kristálynak megfelelő térhálót szerkeszthet, ha kiválaszt egy tetszőleges pontot (csomópontot) P 1, majd keresse meg az összes többi pontot P 2 , P 3 ,..., amelynek az a tulajdonsága, hogy ezen pontok környezete minden tekintetben pontosan ugyanúgy néz ki, mint a pontból P 1 . Sok pont P 1 , P 2 , P 3,... ebben az esetben a kristály térhálóját képezi.

A rácsok és kristályok szimmetria fogalma alapján történő osztályozása szigorú definíciókat igényel. A szimmetriaművelet olyan művelet, amelyet egy szilárd testen végrehajtva ez a test változatlan marad, majd ezt a testet invariánsnak nevezzük a művelethez képest. (Például egy gömb invariáns a tetszőleges tengely körüli forgás, az egyik helyről a másikra való mozgás, a tükörben való visszaverődés stb. tekintetében.) Ha a kétdimenziós rács a 2. ábrán. 2 vektor által meghatározott elmozdulás függvénye a, akkor ismét az eredeti rácsot kapjuk; ugyanez természetesen igaz a vektor által megadott elmozdulásra is b. Általánosságban elmondható, hogy három vektorral meghatározott egységcellával rendelkező rács a, b, c, invariáns az egyenlőség által meghatározott összes fordítási (átviteli) művelet tekintetében T= n 1 a+ n 2 b= n 3 c, Ahol n 1 , n 2 , n 3 – egész számok. Az összes ilyen művelet halmazát egy adott rács fordítási csoportjának nevezzük.

Vannak más szimmetria-műveletek egy térhálóra, mégpedig azok, amelyekben egy adott pont fixen (mozdulatlan) marad. Az ilyen műveleteket pontműveleteknek nevezzük, és magukban foglalják az adott ponton átmenő tengelyek körüli elforgatásokat, valamint az adott ponton átmenő síkok tükörreflexióit. ábrán látható kétdimenziós rács esetén. A 2. ábrán például elképzelhető egy tengely, amely a rács valamely pontján áthalad a rajz síkjára merőlegesen. A tengely körüli 180°-os elforgatás nem változtatja meg a rácsot. Szokás szerint egy ilyen tengelynek 2. rendű szimmetriája van. Általában a testnek van szimmetriatengelye n-edik rend, ha a testet szögben elforgatjuk (360° / n) változatlanul hagyja a testet. Például egy kocka minden térbeli átlója számára 3. rendű szimmetriatengely, a kocka bármely lappárjára merőleges középpontján áthúzott tengely pedig 4. rendű szimmetriatengely. A szimmetriaműveletek teljes halmazát, amely akkor lehetséges, ha egy adott pont rögzített, és a test változatlan marad, ennek a testnek a pontcsoportjának nevezzük. Térrács vagy kristály esetén a pontszimmetriát korlátozza az a követelmény, hogy a transzlációs szimmetria is teljesüljön. Ez négyre csökkenti a lehetséges forgási tengelyek számát, amelyek 2-, 3-, 4- és 6-rendű szimmetriával rendelkeznek. A 3. ábra megmagyarázza, miért nem lehet például egy rácsnak 5. rendű szimmetriatengelye: a síkot nem lehet ötszögekkel lefedni.

Csak hét különböző pontcsoport létezik a térrácsokhoz; hét kristályrendszert vagy rendszert határoznak meg. Minden rendszer jellemezhető az egységcella típusával, pl. sarkok a, b, g tengelyek között a, b, cés e tengelyek hosszának aránya. Az alábbiakban a megfelelő típusú egységcellák osztályozását és a megfelelő kristályrendszerek elnevezését adjuk meg; a cellák éleinek és sarkainak jelölései megfelelnek a 2. ábrának. 4.

A kristály teljes szimmetriacsoportja vagy tércsoportja az összes szimmetriaművelet (pontműveletek, transzlációk, valamint ezek különféle kombinációinak) halmaza, amelyre nézve a rács invariáns. Egy rácsnak 14 különböző tércsoportja lehet; 14 különböző térhálónak felelnek meg (5. ábra). Ezeket a rácsokat Bravais írta le először 1848-ban alapos geometriai elemzés alapján, és az ő nevét viselik. (Minden Bravais-rács a hét kristályrendszer valamelyikéhez tartozik.)

A rácsszimmetria formális elméleti leírásától a valódi kristály leírásáig áttérve figyelembe kell venni az egyes rácshelyeken elhelyezett atomok vagy atomcsoportok szimmetriáját is. Aztán kiderül, hogy összesen 230 különböző tércsoport létezik a kristályoknak (még mindig 14 különböző típusú Bravais-rács). Ezeket a csoportokat a csoportelmélet alapján E. S. Fedorov és S. Shenflies szerezte meg és írta le 1891-ben.

A kristályszimmetria elmélete érdekes fejleményt kapott a mágneses kristályokkal kapcsolatban. Mágnesesen rendezett állapotban a periodicitást nemcsak az atomok helyzete határozza meg, hanem mágneses momentumaik iránya is. Ezért a mágneses tércsoportok számának sokkal nagyobbnak kell lennie, mint 230. A mágneses térszimmetria-csoportok száma összesen 1651. A kristály makroszkopikus tulajdonságainak szimmetriájának leírásához meg kell különböztetni bizonyos szimmetria-transzformációk halmazait, amelyek az ún. a kristály „mágneses kristályosztályának” nevezik. Összesen 122 ilyen osztály van.

Kristályszerkezet és diffrakció.

Az atomok kristályokban való elrendezésének kísérleti tanulmányozása csak azután vált lehetségessé, hogy Roentgen 1895-ben felfedezte a röntgensugárzást. Annak tesztelésére, hogy ez a sugárzás valóban egyfajta elektromágneses sugárzás-e, Laue 1912-ben azt tanácsolta Friedrichnek és Knippingnek, hogy engedjenek át egy röntgensugarat egy kristályon, és nézzék meg, nincs-e diffrakciós minta. A tapasztalat pozitív eredményt hozott.

A röntgendiffrakció jelenségére alapozva Bragg apa és fia rendkívül értékes kísérleti módszert alkotott kristályok röntgendiffrakciós elemzésére. Munkájuk a modern szilárdtestfizika kezdetét jelenti. A megfelelő, rendkívül kifinomult automatizált berendezések mára általánossá váltak a szilárdtestfizikai laboratóriumokban. Az ilyen röntgengépeknek és számítógépeknek köszönhetően az atomok elrendezésének meghatározása még egy összetett kristályban is szinte rutinná vált. 1914-ben Laue Nobel-díjat kapott teljesítményéért; Braggy apa és fia egy évvel később ugyanazt a díjat osztották meg.

A röntgendiffrakciós analízis hatékonysága a nagy szelektivitáson alapul. Például, ha egy monokromatikus röntgensugár véletlenszerű irányban esik be egy egykristályra, akkor megfigyelhető az ugyanabban az irányban megjelenő (de nem diffrakciós) sugárnyaláb. Diffraktált nyalábok csak néhány szigorúan meghatározott (diszkrét) beesési szögnél keletkeznek a krisztallográfiai tengelyekhez képest. Ez a feltétel áll a kristályforgatás módszerének hátterében, amelyben egy kristályt hagynak forogni egy bizonyos tengely körül, és pontosan meghatározzák azokat az irányokat, amelyekben diffrakciót figyelnek meg. Más kísérletekben porított kristályos mintákat és monokromatikus sugarat használhatnak; – ezt a módszert Debye-Scherrernek hívják. Ebben az esetben az egyes krisztallitok folyamatos orientáció-spektruma van, de a kellően intenzív diffrakciós sugarak csak bizonyos orientációjú kristályokat hoznak létre. A pormódszer nem igényli nagyméretű egykristályok növesztését, ami előnye a Laue és a kristályforgató módszerekkel szemben. A Laue-módszer egyetlen kristályt és folytonos spektrumú röntgensugarat használ, így a kristály maga választja ki a megfelelő hullámhosszokat a diffrakciós mintázatok kialakításához (7. ábra).

Milyen információkkal szolgálhat a röntgendiffrakciós elemzés a kristály szerkezetéről? Röntgensugárzás– ezek elektromágneses hullámok, amelyek elektromos tere kölcsönhatásba lép a töltött részecskékkel, nevezetesen egy szilárd test elektronjaival és atomjaival. Mivel az elektronok tömege sokkal kisebb, mint az atommag tömege, a röntgensugarakat hatékonyan csak az elektronok szóródják szét. Így a röntgendiffrakciós mintázat információt nyújt az elektronok eloszlásáról. A sugárzás diffrakciós irányainak ismeretében meg lehet határozni a kristály vagy kristályosztály szimmetriájának típusát (köbös, tetragonális stb.), valamint az egységcella oldalainak hosszát. A diffrakciós maximumok relatív intenzitása alapján meghatározható az atomok helyzete az egységcellában. Lényegében a diffrakciós mintázat egy matematikailag átalakított képe az elektronok eloszlásának a kristályban - az úgynevezett Fourier-képe. Következésképpen információkat hordoz az atomok közötti kémiai kötések szerkezetéről is. Például a röntgendiffrakció meg tudja állapítani, hogy a konyhasó (NaCl) valóban pozitív és negatív ionokból áll-e, valamint hogy hol helyezkednek el az elektronok egy anyagban, például a germániumban. Végül az egy diffrakciós maximumon belüli intenzitáseloszlás információt ad a kristályok méretéről, valamint a rácshibákról (hibákról), a mechanikai feszültségekről és a kristályszerkezet egyéb jellemzőiről.

Bár a röntgendiffrakció a legrégebbi módszer a szilárd anyagok atomi szintű tanulmányozására, folyamatosan fejlődik és javul. Az egyik ilyen fejlesztés az elektrongyorsítók használata a röntgensugárzás – szinkrotron sugárzás – erőteljes forrásaként. A szinkrotron egy olyan gyorsító, amelyet általában a magfizikában használnak az elektronok nagyon nagy energiákra való gyorsítására. Elektronok alkotnak elektromágneses sugárzás az ultraibolya sugárzástól a röntgensugárzásig terjedő tartományban. Az újonnan kifejlesztett szilárdtestrészecske-detektorokkal kombinálva ezek az új források várhatóan sok új, részletes információt szolgáltatnak a szilárd anyagokról.

A neutronokat 1932-ben fedezték fel. Négy évvel később hullámtermészetüket diffrakciós kísérletek igazolták. A neutronok felhasználása szilárd anyagok vizsgálatának eszközeként az atomreaktorok létrehozása után vált lehetővé, amelyekben 1950 körül 10 12 neutron/cm 2 H s nagyságrendű neutronfluxussűrűséget hoztak létre. A modern reaktorok több ezerszer intenzívebb áramlást biztosítanak.

A neutronok, mivel semleges részecskék, csak szilárd atommagokkal lépnek kölcsönhatásba (legalábbis nem mágneses anyagokban). Ez a tulajdonság több okból is jelentős. Mivel az atommagok rendkívül kicsik egy atom méretéhez képest, és az atommagok és a beeső neutronok közötti kölcsönhatás rövid hatótávolságú, a neutronnyaláb nagy áthatolóképességgel rendelkezik, és akár több centiméter vastagságú kristályok vizsgálatára is használható. Ezenkívül a neutronokat intenzíven szórják a nehéz és könnyű elemek magjai. Ezzel szemben a röntgensugárzást az elektronok szórják, és ezért számára az atomok szóróképessége az elektronok számával növekszik, azaz. az elem rendszáma. Következésképpen a fényelemek atomjainak helyzete egy kristályban sokkal pontosabban meghatározható neutronnal, mint röntgendiffrakcióval. Ez különösen vonatkozik a hidrogénatomok magjaira, vagy a hidrogénionokra, a protonokra. A protonok kimutathatók neutron-diffrakcióval, de röntgendiffrakcióval nem, mert nem tartalmaznak elektronokat. A neutronok ezen tulajdonsága különösen fontossá válik a hidrogénkötéssel rendelkező anyagok tanulmányozása során. Hasonló kötések nemcsak szervetlen anyagokban keletkeznek, hanem különösen azokban is biológiai anyagok(például DNS-molekulák).

A neutronnyalábok fontos szerepet játszanak a szilárd anyagok tanulmányozásában, mivel a neutronok és az atommagok tömege összehasonlítható. Ezért a szilárd test neutronbombázása során a neutronok rácshullámokat gerjeszthetnek (és elnyelhetnek), i.e. kristálymagok rendszerében terjedő rugalmas hullámok. (A hanghullám is rácshullám.) Az ilyen rugalmatlan ütközések során a neutron energiát és lendületet veszít (vagy vesz fel). Ezen mennyiségek változása mérhető; sok részletes információt adnak a szilárd testek dinamikus tulajdonságairól. Így a neutronszórási kísérletek nagyon fontosak a szilárd testben lévő atomok rezgésének vizsgálatához. Végül a neutron diffrakció fontos szerepet játszik a mágneses anyagok tanulmányozásában. Bár a neutronoknak nincs elektromos töltésük, van egy mágneses dipólusmomentusuk, hasonlóan az iránytű tűjéhez. Ezért a neutron képes „látni” egy mágneses atomot abban az értelemben, hogy kölcsönhatásba lép az atomban lévő összes elektron teljes mágneses momentumával. A mágneses kristályra irányított neutronsugarat atommagok, valamint „mágneses” elektronok szórják szét. Ez a kétféle szóródás információt nyújt a kristályos és mágneses szerkezetről. Az ilyen kísérletek lehetővé tették a mágnesesen rendezett szerkezetek létezését szilárd anyagokban - a mágneses momentumok szokásos párhuzamos orientációjától a ferromágnesben (például vasban) a ritkaföldfémekben és vegyületeikben lévő összetett spirális szerkezetekig.

Kémiai kötések és fizikai tulajdonságok.

A szabad atom egy pozitív töltésű magból és számos negatív töltésű elektronból áll, amelyek körülötte keringenek a pályájukon. A kvantummechanika törvényeinek megfelelően az atomban lévő elektronok a héjak között oszlanak el, vázlatosan az ábrán látható. 8 a nátriumatom esetében. Az atommaghoz legközelebb eső két elektron keletkezik K-héj, a következő nyolc elektron - L-héj, és az egyetlen külső elektron az M-héj. Az elektronfelhő az atommagtól az angströmben mért távolságokig terjed (1 Å = 10-10 m), és ez határozza meg az atom effektív méretét is, amelynek általában nincs éles határa. A belső héjak elektronjai erősen kötöttek és jól lokalizálódnak az atommag Coulomb (elektromos) mezőjében. A külső héj elektronjai gyengébben kötődnek, mivel a rájuk ható atommag Coulomb-terét a belső elektronok részben árnyékolják (gyengítik). Amikor a szabad atomok szilárd anyaggá (kristály) jönnek össze, a külső (valencia) elektronok sokkal érzékenyebbek a szomszédos atomok befolyására, mint a belső (magelektronok). A magelektronok hullámfüggvényei (pályái) szilárd testben majdnem megegyeznek a szabad atoméval. A szilárd test atomjainak vegyértékelektronjainak pályái úgy rendeződnek át, hogy összenergiája kisebb, mint az egyes atomok energiáinak összege, ami biztosítja a szilárd test szükséges kötési energiáját. Így a szilárd testet úgy tekinthetjük, mint amely nagyszámú kemény ionmagból (belső héjelektronokkal rendelkező magokból) és egyetlen vegyértékelektronrendszerből áll.

Így a szilárd testet alkotó atomok egyéniségvesztése csak a vegyértékelektronok kollektivizálására redukálódik. Attól függően, hogy a vegyértékelektronok hogyan oszlanak meg az ionmagok között és a köztük lévő terekben, a kémiai kötéseknek négy fő típusa van: van der Waals, ionos, fémes és kovalens. A kötés természete nagymértékben meghatározza a szilárd anyag fizikai tulajdonságait. Bár az alább leírt kötéstípusok mindegyikének megvannak a maga „tipikus képviselői” a valódi anyagok között, a legtöbb szilárd anyag egyik vagy másik köztes kategóriába tartozik.

Van der Waals kristályok.

A legegyszerűbb ismert szilárd anyagok a neon, argon, kripton és xenon nemesgázok kristályai. Ezeknek a gázoknak a szabad atomjainak elektronszerkezete az úgynevezett zárt héjak konfigurációja, amelyet kivételes stabilitás jellemez. Például a neonnak van kitöltése NAK NEK-két elektronból álló héj és feltöltve L-nyolc elektronból álló héj; ez a konfiguráció megfelel az egyes héjakban található elektronok maximális számának, amelyet a kvantummechanika szabályai megengednek. Az inert gázok kristályaiban lévő elektronok konfigurációjának stabilitását a magas értékek az egyik külső elektron eltávolításához szükséges ionizációs energia. Ez a stabilitás azt jelenti, hogy a nemesgáz atomok nem rendelkeznek a szó szokásos értelmében vett vegyértékelektronokkal. Valójában még a külső elektronok is magelektronoknak tekinthetők, amelyek erősen kötődnek az atommaghoz. Ezért a szilárd testben lévő atomok elektronszerkezete majdnem ugyanaz marad, mint a szabad atomoké. Mivel a teljes elektromos töltés atomok nulla, és az összes elektron erősen kötődik a megfelelő atommagokhoz, felmerül a kérdés, hogyan kötődnek ezek az atomok egyáltalán szilárd anyaggá? A helyzet az, hogy a semleges atomok között az elektromos dipólusok kölcsönhatása miatt gyenge vonzási erők lépnek fel, amelyeket a szomszédos atomok indukálnak elektronjaik mozgásának szinkronizálása miatt. Ezeket a gyenge és különféle tényezőkre nagyon érzékeny erőket van der Waals erőknek nevezzük; Meghatározzák az atomok és molekulák közötti kapcsolatot a legtöbb szerves kristályban. Mivel az atomok közötti vonzás gyenge, a nemesgázkristályokat alacsony kötési energia (vagyis az atom szilárd anyagból való eltávolításához szükséges energia), valamint alacsony olvadáspont jellemzi. Az alábbiakban ezen mennyiségek számértékei láthatók szilárd halmazállapotú inert gázokra vonatkozóan.

A korlátozott hőmérséklet-tartomány, amelyben ezek a szilárd anyagok léteznek, megfosztja őket a gyakorlati érdeklődéstől. Ugyanakkor fontos szerepet játszanak alapkutatás a kristályképződés elméletéről, az atomok dinamikájáról szilárd testben, a dielektrikumokba injektált elektronok mozgékonyságáról stb. Mivel a nemesgáz atomok közel gömb alakúak, a köztük lévő van der Waals erők izotrópok (azaz minden irányban egyenlők). Ezért nem meglepő, hogy a nemesgáz atomok a gömbök legsűrűbb tömbjének megfelelő szerkezetté kristályosodnak, nevezetesen egy arcközpontú köbös szerkezetté. A szomszédos atomok közötti távolság az atomok számának növekedésével növekszik, azaz. a bennük lévő elektronok számának növekedésével; a fent bemutatott elemeknél 3,13, 3,76, 4,01 és 4,35Å.

Az inert gázok kristályai jó dielektrikumnak bizonyulnak. Ez azzal magyarázható, hogy az atomokban minden elektron erősen kötődik az atommagjához. Az ilyen szilárd anyagok fizikai tulajdonságait nagymértékben meghatározzák azon atomok tulajdonságai és elektronszerkezete, amelyekből felépültek.

Ionos kristályok.

Az ideális ionkristály pozitív és negatív töltésű gömbionokból áll. Ez az elképzelés leginkább, ha nem is az összes, de legalább néhány alkálifém-halogenid vegyülettel, pl. az egyik alkálifém (lítium, nátrium, kálium, rubídium, cézium) és az egyik halogén (fluor, klór, bróm, jód) által alkotott sók. Bizonyíték van arra, hogy ezeknek a sóknak a kristályait valóban pozitív fémionok és negatív töltésű halogénionok alkotják. Közülük a legközvetlenebb a röntgendiffrakciós adatok, amelyek alapján az elektronikus töltéseloszlást számítják ( cm. rizs. NaCl esetében a 9. ábra).

Az a tény, hogy az ilyen szilárd anyagok ionokból, nem pedig atomokból állnak, a következőképpen magyarázható. Először is, minden alkálifém atomnak van egy külső vegyértékelektronja, míg a halogénatomok külső héja hét vegyértékelektront tartalmaz. Amikor egy vegyértékelektron egy alkálifématomról halogénatomra megy át, két ion képződik, amelyek mindegyike a nemesgázatomokra jellemző stabil elektronkonfigurációval rendelkezik. Még fontosabb a pozitív és negatív ionok közötti Coulomb-vonzás következtében fellépő energianyereség. Vegyük például a nátrium-kloridot (NaCl). Egy külső (valencia) elektron eltávolításához egy Na-atomról 5,14 eV-ot (ionizációs energiát) kell elköltenie. Ha ezt az elektront hozzáadjuk a Cl atomhoz, 3,61 eV energianövekedés következik be (elektron affinitási energia). Így a vegyértékelektron Na-ból Cl-be való átmenetéhez szükséges energia (5,14 - 3,61) eV = 1,53 eV. A két feltörekvő Na + és Cl - ion közötti Coulomb-vonzási energia 2,18 Å távolsággal közöttük (a kristályban) 5,1 eV. Ez az érték több mint kompenzálja a teljes elektronátmeneti energiát, és az ionrendszer összenergiájának csökkenéséhez vezet egy hasonló szabad atomrendszerhez képest. Ez a fő oka annak, hogy az alkálifém-halogenid vegyületek nem atomok, hanem ionokból állnak.

Az ionkristályok energiájának kiszámítása valójában bonyolultabb, mint amilyennek a fenti megbeszélésekből tűnhet. De legalább az alkálifém-halogenid kristályok esetében jó az egyezés a kötési energia elméleti és kísérleti értékei között. Az ionos kötések meglehetősen erősek, amint azt pl. hőség olvadáspontja 1074 K NaCl esetében.

Az elektronikus szerkezet nagyfokú stabilitása miatt az ionos kristályok a dielektrikumok kategóriájába tartoznak. Mivel a pozitív és negatív ionok kölcsönhatásba lépnek az elektromágneses hullámokkal, az ionkristályok erős optikai abszorpciót mutatnak a spektrum infravörös tartományában. (Az oszcilláló külső elektromos tér frekvenciája a spektrumnak ebben a tartományában közel van a keresztirányú rácshullámok sajátfrekvenciájához, amelyben a kristály pozitív és negatív ionjai ellentétes irányba mozognak.) A spektrum látható tartományában az ún. az oszcillációs frekvenciák túl magasak ahhoz, hogy a hatalmas ionoknak legyen idejük reagálni az ilyen hullámok hatására Ezért a fényhullámok kölcsönhatás nélkül haladnak át a kristályon, azaz. az ilyen kristályok átlátszóak. Még magasabb frekvenciákon - a spektrum ultraibolya tartományában - a mezőkvantumok elegendő energiával rendelkezhetnek a vegyértékelektronok gerjesztésére, biztosítva a negatív ionok vegyértékelektronjainak átmenetét a pozitív ionok nem foglalt állapotába. Ez erős optikai abszorpciót eredményez.

Kovalens kristályok.

A leghíresebb kovalens kristályok a gyémánt, a szilícium és a germánium. Az ilyen kristályokban minden atomot négy szomszédos atom vesz körül, amelyek egy szabályos tetraéder csúcsaiban helyezkednek el. Ezen elemek mindegyikének szabad atomjai négy vegyértékelektronnal rendelkeznek, és ez elegendő négy páros elektronikus kötés kialakításához (ez az atom és négy legközelebbi szomszédja között). Így két elektront kollektivizál két atom, amelyek kötést alkotnak, és az atomokat összekötő vonal mentén helyezkednek el a térben. Ez majdnem ugyanaz a kötés, mint a H2 hidrogénmolekula két hidrogénatomja között. A gyémántban ezek a kötések nagyon erősek, és mivel egymáshoz képest szigorúan meghatározott irányuk van, a gyémánt rendkívül kemény anyag. Az elektron és a kristály közötti kovalens kötés erősségét az úgynevezett energiarés jellemzi - ez a minimális energia, amelyet át kell adni az elektronnak, hogy szabadon mozoghasson a kristályban, és elektromos áramot hozzon létre. A gyémánt, a szilícium és a germánium esetében ennek a résnek a szélessége 5,4, 1,17 és 0,744 eV. Ezért a gyémánt jó dielektrikum; a benne lévő termikus rezgések energiája szobahőmérsékleten túl alacsony ahhoz, hogy vegyértékelektronokat szabadítson fel. A szilíciumban és különösen a germániumban az energiarés viszonylag kis szélessége miatt bizonyos számú vegyértékelektron termikus gerjesztése szobahőmérsékleten lehetséges. Így áramot vezetnek, de mivel vezetőképességük jóval kisebb, mint a fémeké, a szilíciumot és a germániumot a félvezetők közé sorolják.

Fémek.

Mint fentebb említettük, a kovalens szilárd anyagok vegyértékelektronjait a szomszédos atomok kollektivizálják, és az ezeket az atomokat összekötő vonalak mentén lokalizálódnak. A fémekben az elektronok kollektivizálása eléri a maximumot - minden vegyértékelektront az összes ionmag kollektivizál. Egy ideális fémet úgy tekinthetünk, mint amely periodikusan elrendezett ionmagokból áll, amelyek az ionmagok között szabadon mozgó vezetési elektronok gázába merülnek. A fém stabilitását és kötési energiájának nagyságát a pozitív ionmagok és a negatív töltésű elektrongáz közötti Coulomb-vonzási erők határozzák meg. A mozgó vezetési elektronok felelősek a fémek magas elektromos és hővezető képességéért.

Ez a szabad elektronokkal rendelkező fémmodell a legalkalmasabb az alkálifémekhez, és kevésbé alkalmas a nemesfémekhez - réz, ezüst és arany. Az alkálifémekben az ionos magok a teljes térfogatnak csak kis részét (körülbelül 15%-át) foglalják el, míg az ezüstben és az aranyban a szomszédos ionmagok szinte érintkeznek egymással.

A négyféle szilárd anyag közötti különbséget az ábrán bemutatott diagramok szemléltetik. 10. A szorosan kötött elektronokkal zárt héjú konfigurációjú atomokat és ionmagokat nyitott körökben ábrázoljuk. A vegyértékelektronok térbeli eloszlása ​​csak kovalens kristályok és fémek esetén látható.

A legtöbb szilárd anyag köztes a négy „tiszta” kötéstípus között. Például a tisztán ionos és a tisztán kovalens kristályok között szilárd anyagok folytonossága van. Ezért ilyen nem vezető anyagokra alkalmazva a kötések részben ionos vagy részben kovalens természetéről beszélnek. J. Phillips egy különösen sikeres fél-empirikus megközelítést javasolt a különféle vegyületcsoportok létező mintázatainak leírására azok dielektromos tulajdonságai és az energiarés szélessége alapján.

Érdekes összehasonlítani a Phillips-séma szerinti kötések ionosságának mértékét a periódusos rendszer különböző (vagy azonos) csoportjainak elemeiből álló vegyületek esetében: I. és VII., II. és VI., III. és V., IV-IV. mint a IV. csoport elemei. Egyes kapcsolatok esetében ennek a jellemzőnek a jelentése a következő:

Itt a szinte teljesen ionos NaCl vegyületről a tisztán kovalens szilícium kristályra való fokozatos átmenetet látjuk.

Hidrogénkötésű kristályok.

A kristályok fentebb tárgyalt osztályozása az elektronok által létrehozott kötéseken alapul. A kémiai kötések másik típusa hidrogénionokon (protonokon) keresztül jön létre. A proton az különleges fajta ion: egyáltalán nem tartalmaz elektronokat, ezért rendkívül kicsi a mérete. A „csupasz” proton képes két negatív iont egymáshoz kötni, különösen a fluor, oxigén és nitrogén negatív ionjait. Például az F - H + F - lineáris szerkezetű hidrogén-difluorid ion HF 2 - stabilitását a két negatív fluoriont összekötő proton jelenlétének köszönheti. A hidrogénkötések fontos szerepet játszanak a molekuláris biológiában (elsősorban a genetikában), mert részt vesznek a DNS-molekulák kettős spirális szerkezetének két szálának összetartásában. Ezek az összefüggések a ferroelektromos anyagok (például kálium-dihidrogén-foszfát KH 2 PO 4) fizikájában is jelentősek, és nagymértékben felelősek a víz és a jég elképesztő fizikai tulajdonságaiért.

NÖVEKEDŐ KRISTÁLYOK

Egyes kristályok tulajdonságainak tanulmányozásához jó mintákat kell készíteni (termeszteni) - gyakran a lehető legmagasabb fokú tökéletesség és kémiai tisztaságú egykristályok formájában. A különböző fizikai vagy kémiai tökéletlenségek szilárd anyagok tulajdonságaira gyakorolt ​​hatásának tanulmányozásához az ilyen tökéletlenségeket (hibákat) ilyen vagy olyan módon, ellenőrzött módon kell bevinni a szilárd anyagba. Ebben az esetben kiindulási anyagként nagy kémiai tisztaságú anyagokat kell használni. A hagyományos kémiai tisztítási módszerek mellett számos fém és félvezető tisztítható zóna olvasztással.

A kristályokat az oldószer lassú elpárologtatásával, az olvadék lehűtésével vagy a gőz kondenzálásával lehet növeszteni. Az olvadékból a kristályokat Bridgman vagy Czochralski módszerrel növesztik. A Czochralski-módszer alkalmazásakor egy függőleges huzalra vagy rúdra szerelt kis magkristályt az olvadékba merítenek, majd lassan eltávolítanak belőle. A hőmérséklet és a húzási sebesség megfelelő szabályozásával egy nagy egykristály nőhet ki a magkristályból. A Bridgman-módszer szerint az olvadékot függőlegesen szerelt, hegyes aljú tégelybe helyezik. Ha a tégelyt lassan leengedjük a kemence forró zónájából a hidegebbbe, annak éles fenekén kristálymag képződik, amely a tégely további süllyesztése során nagyméretű egykristálylá nőhet.

A molekuláris epitaxiás (MME) módszer lehetővé teszi a félvezető chipek szekvenciális termesztését rétegről rétegre egy megfelelő kristályos hordozón. Minden rétegben (amelynek vastagsága nem haladhatja meg egy atom átmérőjét) pontosan megismétlődik a hordozó kristályszerkezete.

Ha egy ionkristályt fémkomponensének gőzében vagy valamilyen más fémben hevítünk, a fém feleslegét juttathatjuk bele. Az ilyen adalékolt kristályok sok esetben új és érdekes tulajdonságokat mutatnak az atomi szinten beágyazott fémes komponenseknek köszönhetően. Például, ha a nátrium-kloridot nátriumgőzben hevítjük, a kristály átlátszóból sárgásbarnává változik; ebben az esetben azt mondják, hogy színközpontok jelentek meg a kristályban. Egyes esetekben a fémgőzben hevített kristályba bevitt fématomok kis fémkristályokká koagulálhatnak, amelyek az eredeti ionkristályba vannak ágyazva.

Nagy felbontású elektronmikroszkóp.

A hagyományos optikai vagy fénymikroszkópban a felbontás határát a viszonylag hosszú hullámhossz határozza meg. látható fény. Ez azt jelenti, hogy a megközelítőleg 5000 Å-nél kisebb jellemzők nem figyelhetők meg. Az elektronmikroszkóp fény helyett elektronsugarat használ, amelynek hullámhossza körülbelül 0,04 Å, ami még az atom átmérőjénél is lényegesen kisebb. Az első gyakorlatilag alkalmazható elektronmikroszkópot E. Ruska készítette (Berlin, 1933). Azóta a tudósok igyekeznek képet szerezni egyedi atom, és végül az elektronmikroszkópia megbízható, jól bevált kutatási módszerré vált. Segítségével a biológia területéről (baktériumok, vírusok szerkezetéről), valamint a kristályok szerkezetéről sok információt lehetett szerezni. Az elektronmikroszkópos technológiai fejlesztések lehetővé tették több angström nagyságrendű felbontás elérését. Ez lehetővé teszi, hogy közvetlenül értelmezhető képeket kapjunk a fématomok eloszlásáról a szilárd test egységcellán belül. Érdekes tanulmányokat végeztek például a Szentpétervári Egyetemen. Arizona. Ha az egyik nióbium-oxidot (kémiai képlet: Nb 22 O 54) hidrogéngáz atmoszférában hevítjük, egy anyagot kémiai összetétel Nb 12 O 29, amely az alapanyagba van beépítve. Ez látható egy nagy felbontású elektronmikroszkópban. A kezdeti Nb 22 O 54 oxidot a 3ґ 3 és 3ґ 4 blokkokból álló sorok szabályos váltakozása jellemzi, amelyek oktaéderekből állnak, amelyek közepén egy nióbium atom, csúcsaiban pedig hat oxigénatom található. ábrán. A 11. ábrán látható, hogyan sérül az eredeti váltakozási sorrend az ábrán nyilakkal jelölt helyeken, ahol egymás után két egyforma sor következik (a 3-4. blokkból). Ezek a kétdimenziós hibarétegek (úgynevezett Wadsley-defektusok) a mintasíkra merőlegesen terjednek végig a kristályon. Ez a példa azt mutatja, hogy az elektronmikroszkópia hatékony kutatási módszer a szilárdtestfizikában.

Felületi atomok közvetlen képalkotása.

A szilárd anyagok tömegtulajdonságai iránt érdeklődő kutatók számára elsősorban a minta felülete okoz kellemetlenséget. A kristályfelület azonban számos fizikai és kémiai jelenségben fontos szerepet játszik, nélkülözhetetlen például a különböző félvezető és mikroelektronikai eszközök működéséhez, valamint a kémiai korrózióhoz és a heterogén katalízishez.

A szilárd test felületének tulajdonságainak tanulmányozásakor kiemelkedő fontosságúak a megbízható információk a kristály külső atomi rétegében lévő atomok elrendezéséről. Jelentős előrelépést értek el ezen a területen az ultranagy vákuumtechnikák, az alacsony energiájú elektrondiffrakció, valamint az atom- vagy ionszórási kísérletek alkalmazásával. A szilárd testfelületek tanulmányozása során egy terepi ionprojektor, amelyet 1955-ben E. Muller készített a St. Pennsylvania. Ez az eszköz lehetővé tette például annak megszerzését közvetlen kép az egyes atompozíciók.

Fém szemüveg.

A szilárdtestfizika érdekes fejleménye egy új típusú anyag, az úgynevezett fémüveg felfedezése volt. Üveges anyagok atomjainak elrendeződésében (mint a folyadékokban) némi rövid hatótávolságú rend észlelhető, de a kristályra jellemző nagy hatótávolságú rend hiányzik. A fémek általában gyorsan kristályosodnak, ha folyékony halmazállapotból lehűtik. Jelenleg nagyon gyors hűtésre van lehetőség (akár 10 5 - 10 6 kelvin/1 s sebességgel), ami üvegszerű fémet ad az atomok véletlenszerű elrendezésével. Az ilyen fémüvegek szokatlan és néha egyedi fizikai tulajdonságaik miatt érdekesek. Különösen nagyon kemények, tartósak és képlékenyek, pl. A szilikát üvegekkel ellentétben nem törékenyek. Jól vezetik az elektromosságot; vezetőképességük az elektrotechnikában általánosan használt ötvözetek vezetőképességéhez hasonlítható; Ezért a fémüvegek jó anyag ellenállásokhoz, ellenálláshőmérőkhöz, alacsony hőmérsékletekhez fűtőelemek stb. Nagy figyelmet fordítottak a fémüvegek mágneses tulajdonságaira. Kiderült, hogy a ferromágneses üvegeket nagyon gyenge külső mágnesezheti és lemágnesezheti mágneses mezők. Ennek és mechanikai szilárdságuknak köszönhetően a mágneses üvegek alkalmasak transzformátorokban, mágneses erősítőkben, hangrögzítő fejekben történő használatra.

Ez a kutatási módszer a fotoelektromos hatáson alapul - egy anyag elnyeli a röntgensugárzást és elektronokat bocsát ki. A röntgensugarak elektromágneses hullámok magas frekvencia. A kvantumelmélet szerint csak szigorúan meghatározott részekben - úgynevezett kvantumokban vagy fotonokban - tudnak elnyelődni az anyagban. A fotovoltaikus folyamat során a foton energiája teljesen átkerül az elektronra. Ennek az energiának egy részét (az ún. munkafüggvényt) arra fordítják, hogy az elektront kitépjék a szilárd testből, a többit pedig a kibocsátott elektron mozgási energiájává alakítják. Az XPS módszerrel a kibocsátott elektronok mozgási energiájának eloszlását rögzítjük. A szilárd testben lévő elektronok kötési energiáinak spektrumának kiszámítására szolgál - az egyik fontos jellemzőit anyag.

Irodalom:

Holden A. Mi az az FTT. A modern szilárdtestfizika alapjai. M., 1971
Shaskolskaya M.P. Kristályok. M., 1978
Geguzin Ya.E. Élő Kristály. M., 1981
Chernov A.A. A kristályosodás fizikája. M., 1983
Kaganov M.I., Lifshits E.M. Kvázi részecskék. A kvantum-szilárdtest-fizika gondolatai és elvei. M., 1989

Gyakran szilárd testek, amelyek megtartják alakjukat és térfogatukat. Fizikai szempontból azonban nehéz lehet különbséget tenni egy anyag szilárd és folyékony halmazállapota között ezen jellemzők alapján.

Az anyagok speciális osztálya, amely külső jelek A szilárd anyagokhoz hasonlóak a polimerek is.

Polimerek (a görög polimerekből - sok részből álló, poli - sokból és meroszból - részesedés, rész) - ezek nagy molekulatömegű vegyületek, amelyek molekulái nagyszámú szabályosan és szabálytalanul ismétlődő azonos vagy eltérő egységekből állnak.

A természetes polimerek közé tartozik a természetes gumi, a cellulóz, a fehérjék és a természetes gyanták. A szintetikus polimerek példái a polisztirol, a polietilén és a poliészterek.

Valóban szilárd anyagok - ezek kristályok, az egyik jellegzetes vonásait ami megjelenésük helyessége.

Csak ámulni lehet a hópelyhek formájának tökéletességén, és megcsodálni szépségüket.

Ha a fotózásban képrögzítésre használt anyag, a hiposzulfit telített oldatát több napig nyitott fürdőben hagyjuk, akkor annak alján nagyméretű, szintén meglehetősen szabályos alakú kristályok képződnek.

A konyhasó- és cukorkristályok is megfelelő alakúak.

A kristályok természetes alakja poliéder, lapos felületekkel és közöttük minden anyag esetében állandó szögekkel.

A különböző anyagok kristályainak alakja nem azonos. De ugyanannak az anyagnak a kristályai lehetnek különböző színek. Például a kvarckristályok színtelenek, aranyszínűek, rózsaszínűek és halványlila színűek. A színtől függően különböző neveket kapnak. A kvarckristályokat nevezhetjük például hegyikristálynak, füstös hegyikristálynak vagy ametisztnek. Az ékszerész szemszögéből nézve ugyanazon anyag sok kristálya alapvetően különbözhet egymástól. A fizikus szemszögéből nézve lehet, hogy egyáltalán nincs különbség köztük, hiszen az azonos anyag többszínű kristályai tulajdonságainak túlnyomó többsége megegyezik.

A kristály fizikai tulajdonságait nem a színe, hanem a belső szerkezete határozza meg. Ennek az állításnak nagyon világos szemléltetése a gyémánt és a grafit számos tulajdonsága közötti különbség, amelyek azonos kémiai összetételűek.

Az egykristályokat nevezzük egykristályok . Egyes anyagok, mint például a hegyikristály, nagyon nagy, néha nagyon szabályos alakú egykristályokat képezhetnek.

Sok egykristály jellemzője az anizotrópia – a különböző irányú fizikai tulajdonságok különbsége.

A kristályok anizotrópiája szorosan összefügg szimmetriájukkal. Minél kisebb a kristály szimmetriája, annál kifejezettebb az anizotrópia.

Vegyünk két kvarckristályból különböző síkban kivágott lemezt. Cseppentsünk viaszt a tányérokra és hagyjuk megkeményedni, majd forró tűvel érintsük meg a keletkező viaszfoltokat. Az olvadt viasz alakja alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy egy kristályból függőleges síkban kivágott lemez különböző irányokban eltérő hővezető képességgel rendelkezik.

Ha egy nagy jégdarabból kivágunk két egyforma rudat egymásra merőleges irányban, két támaszra helyezzük és megterheljük, akkor a rudak eltérően fognak viselkedni. Az egyik blokk lassan meghajlik a terhelés növekedésével. A másik egy bizonyos terhelési értékig megtartja alakját, majd eltörik.

Hasonló módon nemcsak a hővezető képesség és szilárdság anizotrópiájáról beszélhetünk, hanem az egykristályok egyéb termikus, mechanikai, valamint elektromos és optikai tulajdonságairól is.

A legtöbb szilárd anyag rendelkezik polikristályos szerkezet , azaz sok véletlenszerűen elrendezett kristályból áll, és nem rendelkezik a fizikai tulajdonságok anizotrópiájával.

Eddig a testek időtől függő mozgását tekintettük anélkül, hogy tisztáztuk volna a mozgásokat okozó okokat. A dinamika törvényei kapcsolatot teremtenek a testek mozgása és az okok között, amelyek ezt vagy azt a mozgást okozták vagy megváltoztatták.

Tekintsük egy anyagi pont transzlációs mozgását, ehhez bevezetünk dinamikus jellemzőket, amelyek segítségével leírjuk az ilyen mozgást. Ezek a jellemzők magukban foglalják a koncepciót erő, tömeg, impulzus. Vizsgálatunkat kezdjük a testek mozgásával a referenciarendszerekben, amelyeket ún inerciális, és ennek meghatározását később adjuk meg.

1. Bármely test mozgását inerciális vonatkoztatási rendszerben csak a többi testtel való kölcsönhatás okozza vagy változtatja meg. A testek közötti kölcsönhatás leírására bevezetjük az erő fogalmát, amely ennek a kölcsönhatásnak a mennyiségi mérőszámát adja.

A kölcsönhatás fizikai természete eltérő lehet, vannak gravitációs, elektromos, mágneses és egyéb kölcsönhatások (lásd 1. táblázat). A mechanikában az erők fizikai természete lényegtelen, eredetük kérdése nem tisztázott. De minden típusú interakció esetében a mennyiségi mértéküket ugyanúgy kell megválasztani. A különböző természetű erőket ugyanazokkal a szabványokkal és mértékegységekkel kell mérni. A mechanika törvényei egyetemes, azaz a testek mozgását írják le bármilyen természetű erő hatására. A mechanikában figyelembe vett kölcsönhatások esetében az erő a következőképpen definiálható.

Az erő egy vektormennyiség F, amely az egyik test mechanikai hatásának mértéke a másikra.

Mechanikai kölcsönhatás mind közvetlenül érintkező testek között (súrlódási erő, támasztó reakcióerő stb.), mind távoli testek között létrejöhet.

Az anyag egy speciális formája, amely az anyag részecskéit köti össze egységes rendszerekés az egyik részecske hatásának a másiknak véges sebességgel történő átvitelét fizikai mezőnek vagy egyszerűen mezőnek nevezzük.

A távoli testek közötti kölcsönhatások gravitációs (gravitációs) vagy elektromágneses mezőn keresztül valósulnak meg.

Egy erő mechanikai hatása a test gyorsulását vagy deformációját okozhatja. Az erő két test kölcsönhatásának eredménye. Mert helyes meghatározás a testre ható erők, használhatja a szakirodalmat, amely számos példával szolgál.

Kényszerítés F- vektor - teljesen definiált, ha adott a modulja (nagysága), a térbeli iránya és az alkalmazási pont. Az egyenes vonal, amelyre a vektor irányul F, hívott az erő hatásvonala.

Ha nem anyagi pontra, hanem szilárd testre ható erőről beszélünk, és ennek transzlációs mozgását okozza, akkor a testre gyakorolt ​​hatás nem változik, ha az erő hatáspontját a hatásvonala mentén mozgatjuk.

Egyidejű hatás több erő C anyagi pontján F 1 ,F 2 ..... F n ekvivalens a geometriai (vektor) összegükkel egyenlő erő hatásával, és hívjuk eredő vagy eredő erő (lásd a 7. ábrát):

F res. = F 1 +F 2 + ..... +F n .

7. ábra - Az erők vektoros összeadása.

A testre vagy testrendszerekre ható erők feloszthatók külsőÉs belső. A vizsgálat összetételében nem szereplő szervek mechanikus rendszer, külső és erő, eljárva a részükről, - külső. Belső erők- a vizsgált rendszerben szereplő pontokból vagy testekből egy pontra vagy testre ható erők.

A rendszer, amelyen semmilyen külső erő nem hat, hívott izolált vagy zárva.

2. A dinamika alapfogalma az tömeg fogalma m, amiről a kinematika nem is esett, nem volt szükség. Minden anyagi tárgynak (testeknek, elemi részecskéknek, mezőknek) van tömege. A tömeg a test többoldalú jellemzőjeként működik.

Meghatározza gravitációs tulajdonságait, azaz. azokat az erőket, amelyekkel egy test más testekhez, különösen a Földhöz vonzódik.

A tömeg jellemzi a test tehetetlenségi tulajdonságait, azaz. a test azon képessége, hogy fenntartsa a nyugalmi vagy egyenruhás állapotot egyenes vonalú mozgás, vagy módosítsa a sebességet.

Egy test m tömege határozza meg az anyag mennyiségét egy adott testben, és egyenlő a ρ anyag sűrűségének a test V térfogatával való szorzatával:

A test tömege a sebességével együtt meghatározza a test lendületét és mozgási energiáját.

A klasszikus mechanikában a tömeg fogalmát a következők jellemzik:

• m = const, nem függ a test mozgási állapotától,
• tömeg - nagyságrend adalékanyag, azaz a rendszer tömege megegyezik a rendszerben lévő testek tömegeinek számtani összegével,
• a zárt rendszer tömege változatlan marad a rendszerben végbemenő folyamatok során ( a tömeg megmaradásának törvénye).

Tehát a tömegre a következő definíciót adhatjuk.

A tömeg egy test tehetetlenségének mértéke vagy a gravitációs kölcsönhatás mértéke.

3. Anyagi pont lendülete egy vektormennyiség, amely egyenlő tömegének és sebességének szorzatával P= m v.

A rendszer impulzusa anyagi pontok vektornak nevezzük, amely egyenlő a rendszer összes anyagi pontja nyomatékának geometriai (vektor) összegével:

P = P 1 +P 2 +.....+ P n= Pén

A tömeg fogalmát használva, rendszer impulzus egyenlő a teljes rendszer tömegének és tömegközéppontja sebességének szorzatával P= m v c.

Impulzus P- a sebesség irányával egybeeső vektor.

Impulzus- a fizikai rendszer egyik alapvető jellemzője. Mind a tömeget, mind a sebességet korábban meghatározták, de csak az impulzusnak van egyedi tulajdonsága. Neki megfogalmazva természetvédelmi törvény impulzus, ami egyetemes törvény szerint. A mikrokozmoszban is végrehajtják (szinten elemi részecskék, atomok és molekulák), mind a makrovilágban (a körülöttünk lévő világban), mind a megavilágban (bolygók, az Univerzum, a Galaxis szintjén). Eddig nem fedeztek fel olyan jelenséget, amelyben megsértették volna a lendület megmaradásának törvényét.

Szilárd- ez az anyag aggregált állapota, amelyet alak- és térfogatstabilitás jellemez. Belső szerkezetük alapján a szilárd anyagokat a következőkre osztják kristályosÉs amorf.

Kristály testek

Kristályok- ezek szilárd testek, amelyek részecskéi szigorú sorrendben helyezkednek el, térbeli, periodikusan ismétlődő struktúrákat alkotva.

Pontosabban, a részecskék bizonyos egyensúlyi helyzetek körül oszcillálnak. Ha gondolatban összeköti őket egyenes vonalakkal, akkor egyfajta „csontvázat” kap a kristályból. Ezt a kristályképet nevezik kristályrács.

A kristályrács leggyakrabban ionokból (pozitív és negatív töltésű atomokból) épül fel, amelyek egy adott anyag molekulájának részét képezik. Például a konyhasó rácsában Na+ és Cl– ionok találhatók (1. ábra). Az ilyen kristályokat ún ión.

Elméletileg bebizonyosodott, hogy összesen 230 különböző térbeli kristályszerkezet létezhet. Legtöbbjük (de nem mindegyik) megtalálható a természetben vagy mesterségesen jön létre. ábrán. A 2. ábra egyszerű kristályrácsokra mutat példákat: 1 – egyszerű köbös rács; 2 – arcközpontú köbös rács; 3 – testközpontú köbös rács; 4 – hatszögletű rács.

Egykristályok és polikristályok

Ha egy periodikusan ismétlődő szerkezet (kristályrács) terjed a test teljes térfogatában, akkor „egykristály” keletkezik - egykristály. Az egykristályok szabályos szimmetrikus sokszög alakúak. De ritkán érik el a több centiméteres méretet. Az egykristályokra példák a következők: drágaköveket, Izlandi spárga (3. kép), topáz (4. kép).

A természetben a véletlenszerűen egymásba nőtt egykristályok gyakoribbak. Az ilyen szilárd testeket ún polikristályok. Példák a polikristályokra: kősó (5. ábra), kvarc (6. ábra), cukor, jég, vas, réz.

Anizotrópia

A kristályszerkezetben a rend oda vezet anizotrópia, azaz a fizikai tulajdonságok függése a választott iránytól. Ez a kristályrácsban lévő részecskék különböző irányú sűrűségének különbségével magyarázható. A 7. ábra hagyományosan az atomok elrendezését mutatja egy egykristály egyik síkjában. Ennek a lapos rácsnak a csomópontjain keresztül különböző orientációjú párhuzamos egyenesek húzódnak ( 1, 2, 3, 4 ). Látható, hogy az egyenesek egységnyi hosszában nem azonos számú atom van. És a kristályok számos mechanikai tulajdonsága az azt alkotó részecskék sűrűségétől függ.

Először is szembetűnő a kristályok különböző irányú mechanikai szilárdsága. Például egy csillámdarab egy irányban könnyen szétválik vékony lemezekké, de a lemezekre merőleges irányban sokkal nehezebb eltépni. A grafitkristály egy irányban is könnyedén hámlaszt. Ha ceruzával ír, ez a rétegvesztés folyamatosan megy végbe, és vékony grafitrétegek maradnak a papíron. Sok kristály eltérő módon vezet hőt és elektromos áramot különböző irányokban. A kristályok optikai tulajdonságai az iránytól is függenek. Így a gyémántkristály a rá eső sugarak irányától függően eltérően töri meg a fényt.

Az egykristályok anizotróp, míg a polikristályok izotrópok.

Olvadási hőmérséklet

A kristályos szilárd anyagok bizonyos olvadásponttal rendelkeznek t pl, változatlan az olvadási folyamat során állandó nyomáson (8. ábra, görbe 1 ).

Az olvadáspont és a testhőmérséklet ismeretében mindig meghatározható, hogy a kristályos test milyen aggregációs állapotba kerül: ha a testhőmérséklet magasabb, mint az olvadáspont, akkor a test folyékony halmazállapotú, ha kevesebb, akkor szilárd halmazállapotú.

Polimorfizmus

Szinte minden szilárd halmazállapotú anyag létezhet két vagy több kristályos változatban (módosításban), amelyek fizikai tulajdonságaikban különböznek egymástól. Ezt a jelenséget az ún polimorfizmus. Tehát a szénnek két fajtája van - gyémánt és grafit: a grafit puha, a gyémánt kemény, a grafit egy vezető, a gyémánt egy dielektrikum. A vasnak 4, a kénnek 9 változata ismert, stb. Mindegyik módosítás stabil egy bizonyos hőmérsékleti és nyomástartományban.

Lásd még

Amorf testek

Az amorf testeknek nincs szigorú rendje az atomok elrendezésében. Csak a legközelebbi szomszédos atomok vannak valamilyen sorrendben elrendezve. De nincs szigorú irányultság ugyanazon szerkezeti elem minden irányában, ami az amorf testekben lévő kristályokra jellemző. A 9. ábra a kvarcmolekulák - kristályos test (a) és kvarcüveg - amorf test (b) elrendezésének lapos diagramja.

Az amorf testek tulajdonságai

Minden amorf test izotróp, azaz fizikai tulajdonságaik minden irányban azonosak. Az amorf testek közé tartozik az üveg, a gyanta, a gyanta, a cukorka stb.

Külső hatások hatására az amorf testek rugalmas tulajdonságokat mutatnak, mint a szilárd testek, és folyékonyság, mint egy folyadék. Az amorf testnek gyenge a folyékonysága. Tehát, ha egy tölcsér viaszdarabokkal van megtöltve, akkor egy idő után (különböző hőmérsékleteken eltérően) a viaszdarabok „feloldódnak”. A viasz tölcsér alakját veszi fel, és elkezd „folyni” belőle.

Az alacsony hőmérsékletű amorf testek tulajdonságaikban hasonlítanak a szilárd testekre. Folyékonyságuk szinte nincs, de a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan meglágyulnak, és tulajdonságaik egyre közelebb kerülnek a folyadékok tulajdonságaihoz. Ez azért történik, mert a hőmérséklet növekedésével az atomok egyik pozícióból a másikba ugrása fokozatosan gyakoribbá válik. Az amorf testek a kristályos testekkel ellentétben nem rendelkeznek meghatározott olvadásponttal. Hevítéskor az amorf állapotú anyag fokozatosan meglágyul és folyadékká alakul (8. ábra, 2. görbe). Az olvadáspont helyett beszélnünk kell lágyulási hőmérséklet tartomány.

Folyékony kristályok

Folyékony kristályok- olyan anyagok, amelyek egyszerre rendelkeznek folyadékok (folyékonyság) és kristályok (anizotrópia) tulajdonságaival.

Szerkezetükben a zseléhez hasonló folyadékok, amelyek hosszúkás molekulákból állnak, amelyek a folyadék teljes térfogatában meghatározott módon vannak elrendezve (10. ábra).

A folyékony kristályok szinte átlátszó anyagok, amelyek egyszerre mutatják meg a kristály és a folyadék tulajdonságait. Melegítéskor külső állapotuk szilárdból folyékony kristályossá változhat, és a hőmérséklet további emelésével teljesen folyékony halmazállapotúvá alakulhat át.

• A folyékony kristályokat F. Reinitzer osztrák botanikus fedezte fel 1888-ban. Észrevette, hogy a koleszteril-benzoát és a koleszteril-acetát kristályainak két olvadáspontja van, és ennek megfelelően két különböző folyékony halmazállapotú - zavaros (145 ° C-tól 179 ° C-ig) és átlátszó (179 ° C felett). A tudósok azonban nem vették észre speciális figyelem e folyadékok szokatlan tulajdonságairól. A fizikusok és kémikusok sokáig elvileg nem ismerték fel a folyadékkristályokat, mert létezésük megsemmisítette az anyag három halmazállapotának elméletét: szilárd, folyékony és gáznemű.

Folyadékkristályok alkalmazása

A folyadékkristályok egyik fontos felhasználási területe a termográfia. A folyadékkristályos anyag összetételének kiválasztásával különböző hőmérsékleti tartományokhoz és különböző kialakításokhoz hoznak létre indikátorokat. Például egy folyadékkristály-indikátor a páciens bőrén gyorsan diagnosztizálja a rejtett gyulladást, sőt a daganatot is.

A folyadékkristályokat káros kémiai vegyületek gőzeinek, valamint az emberi egészségre veszélyes gamma- és ultraibolya sugárzásnak a kimutatására használják. Folyadékkristályok alapján készültek nyomásmérők és ultrahangdetektorok.

De a folyékony kristályos anyagok legígéretesebb alkalmazási területe az információs technológia. Jelenleg színes folyadékkristályos képernyőket használnak mobiltelefonok, monitorok és televíziók. Kis vastagságúak, alacsony fogyasztásúak, nagy felbontásúés fényerő.

Lásd még

Polimerek

Szokatlan tulajdonságaik alapján kiemelkednek a szilárd anyagok teljes csoportjából: polimerek- olyan anyagok, amelyek molekulái nagyszámú ismétlődő atomcsoportból (monomerekből) állnak.

• πολύ- és μέρος - görögből. "sok" és "rész".

Például egy polimer molekula jön létre a CH 2 csoport megismétlésével:

CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 -

A molekulában lévő monomer egységek száma határozza meg a polimer relatív molekulatömegét, amely általában nagyon nagy - több tíz és százezer atomtömeg-egység. Például a polietilén relatív tömege 35 000 amu, a gumi - 400 000 amu.

A polimerek között számos természetes vegyület található: fehérjék, nukleinsavak, poliszacharidok, gumi és mások szerves anyag. Nagy szám a polimereket szintetikus úton állítják elő. A polimerek neve a monomer nevéből jön létre poli előtaggal: polietilén, polipropilén, polivinil-acetát stb.

Az ember már régóta használ természetes polimer anyagokat életében. Például ruhák készítéséhez használt bőr, szőrme, gyapjú, selyem, pamut. Fóliákat, szálakat, festékeket és lakkokat, valamint sűrítőanyagokat cellulózból állítanak elő. A mozi és a fényképezés fejlődése csak az átlátszó nitrocellulóz film megjelenésének köszönhetően volt lehetséges. Elsajátították a lavsannak vagy polietilén-tereftalátnak nevezett poliészterszál alapú szövetek gyártását. A polipropilén és a nitron szintetikus szálak, amelyeket használnak modern ember ruházati és ipari tevékenységekhez.

Különleges mechanikai tulajdonságok

• rugalmasság - az a képesség, hogy viszonylag kis terhelés mellett nagy reverzibilis alakváltozásokat szenvedjenek el (gumik);
• üveges és kristályos polimerek (műanyagok, szerves üveg) alacsony törékenysége.

Lásd még

Irodalom

1. Aksenovich L. A. Fizika in Gimnázium: Elmélet. Feladatok. Tesztek: Tankönyv. általános műveltséget nyújtó intézmények támogatása. környezet, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - 184-185,186-187 o.
2. Zhilko V.V. Fizika: Tankönyv. pótlék a 11. évfolyamra. Általános oktatás iskola oroszból nyelv képzés / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - 265-269.

Az óra céljai:

1. A természetes testekkel kapcsolatos ismeretek összegzése és rendszerezése, valamint a tanulók ismereteinek formálása a testek tulajdonságairól.
2. Fejleszti a memóriát és a gondolkodást.

Feladatok:

1. Taníts meg különbséget tenni természetes és mesterséges testek, különféle testformák között.
2. Tanuld meg mérni a testek tömegét elektronikus mérlegekkel.

Felszerelés: labda, Rubik-kocka, doboz, virág, habkocka, lombik, elektronikus mérleg, alumínium tányérok, geometriai alakzatok, mágnesek.

Az órák alatt

I. Szervezési momentum:

a) kölcsönös üdvözlés;

b) a távollévők megjelölése;

Bevezetés.

Helló srácok. Az előző leckéken a természetről beszéltünk, ma pedig továbbra is erről fogunk beszélni.

Kérdés: Emlékszel, mi a természet?

Válasz: A természet a minket körülvevő világ sokfélesége, minden, ami természetesen keletkezett.

Az embernek mindig is volt egy figyelemre méltó tulajdonsága – a kíváncsiság, a tanulás iránti ellenállhatatlan vágy. a világ, tárja fel, értse meg a benne előforduló jelenségek lényegét. És sikerült és sikerül is neki a különféle tudományos módszerek segítségével.

Kérdés: Milyen természetkutatási módszereket ismer?

Válasz: Megfigyelés és kísérlet.

Tudod, hogy a megfigyelés és a kísérlet összefüggenek. Bármilyen jelenség vagy esemény megfigyelése során az ember gondosan rögzíti a testekben végbemenő összes változást, majd hipotézist fogalmaz meg a jelenség előfordulásának módjáról, az azt okozó okokról. A hipotézis helyességét kísérletileg igazoljuk. Aztán levonja a következtetéseket. Ugyanakkor speciális szavakat - kifejezéseket - használ. Mi az a „kifejezés”?

A kifejezés egy szó vagy szavak kombinációja, amely pontosan megjelöl egy adott fogalmat. (A fogalom definíciója fel van írva a papírlapokra.)(1. melléklet, 2. dia).

Kérdés: Nézz körül, és mondd el, mi vesz körül?

Válasz: Körülöttünk íróasztalok, székek, könyvek, gyerekek stb.

Kérdés: Így van, különféle tárgyak vesznek körül bennünket. Milyen kifejezésnek nevezik a tudósok az összes tárgyat?

Válasz: Testek.

Kérdés: Amikor olvasod vagy hallod a „test” szót, mit képzelsz el?

Válasz: Egy ember, egy állat teste.

Ozhegov szótárában a következő jelentése van: „A test egy személy vagy állat szervezete külső és fizikai formák" De ennek a szónak más jelentése is van.

Minden minket körülvevő tárgyat testnek nevezünk.

II. Új anyagok tanulása.

A természet hatalmas számú különböző testből áll. Ma az órán folytatjuk a testek tanulmányozását.

Tanóránk célja– megtudja, milyen tulajdonságokkal rendelkezik a test? Milyen tulajdonságai vannak a testeknek?

Válasz: A test tulajdonságai azok a jelek, amelyek alapján a testeket megkülönböztetik egymástól.

Tudod, hogy a természet számtalan és változatos teste között vannak testek természetes , amelyeket a természet hoz létre, és vannak ember által készített testek is. Felhívták őket mesterséges .

Kérdés: Nézd meg a képeket, és nevezd meg az első csoportba tartozó testeket!

Válasz: Fa, fű, kő, nap, pillangó és mások.

Kérdés: Nevezze meg a második csoportba tartozó testeket!

Válasz: Ceruza, könyv, toll, asztal, táska és mások.

Kérdés: Nézd meg a képeket, és mondd el, milyen két másik csoportra oszthatók a testek?

Válasz: A testeket élőre és élettelenre osztják.

Kérdés: Mondjon példákat a természet élő és nem élő testeire!

Válasz: Életmód: növények, állatok. Nem élő: kő, hold.

A testek első tulajdonsága az élő és élettelen felosztás.

A táblára felírjuk az óra témáját, majd mágnes segítségével a testek tulajdonságait tartalmazó papírdarabkákat rögzítünk (3. sz. dia).

Az asztalon:

Rejtvényfejtéssel próbáljuk meg kideríteni a testek egyéb tulajdonságait (4. dia).

Rejtvények.

1. Miracle Yudo - óriás
   Hátul egy szökőkutat hordnak.
   (bálna)
2. Fekete kisgyermek
   Magasságának megfelelően nem tudja húzni a terhet.
   (hangya)

Kérdés: Szerinted a test mely tulajdonságáról beszélnek ezek a rejtvények?

Válasz: Méretről, testhosszról? Mi a testméret?

Méret – egy tárgy mérete, valamilyen jelenség léptéke (5. dia).

A test méretét vonalzóval vagy mérőszalaggal lehet megállapítani. Tehát a test második tulajdonsága a méret.

Az asztalon:

Most hallgass meg más találós kérdéseket (6. dia).

1. A palacsinta élve lebeg -
   Van egy farka és egy feje.
   (lepényhal)
2. Léggömb, arany
   Megállt a folyó felett
   Lengett a víz felett
   És akkor... eltűnt az erdő mögött!
   (Nap)

Kérdés: Milyen egyéb tulajdonságokat említenek a testnek a találós kérdések?

Válasz: A testalkatról (7. dia).

Forma (lat. forma) – egy tárgy külső körvonala, megjelenése, kontúrjai.

Nézze meg az asztalon lévő tárgyakat. Az egyik oldalon geometriai formák, a másikon testek találhatók. Milyen alakúak? (Az asztalon futballlabda (labda), gránit (forma nélkül), ceruza (henger), krétás doboz (téglatest), könyv (téglatest), Rubik-kocka (kocka), háromszögletű Rubik-piramis (tetraéder), lombik ( kúp), dió (hatszögletű prizma), virág (nincs forma)).

Kérjük, vegye figyelembe, hogy egyes testek geometriai alakja szabályos, mások pedig szabálytalan alakúak.

Srácok, emlékszel, mely szabályos geometriai alakzatú testeket láttátok már?

(A 7. dián különféle formájú tárgyakról készült fényképek vagy rajzok találhatók).

(Szabályos és szabálytalan geometriai alakzatú testek példáit felírjuk a papírlapokra.)

Az asztalon:

Most nézze meg újra az asztalon heverő tárgyakat, és mondja meg, a testnek milyen más tulajdonságát nem neveztük meg? Ismertesse a labdát. Ő milyen?

Válasz: Kerek, kék vagy világoskék (vagy más színű).

A testek negyedik tulajdonsága az ez egy szín.

Az asztalon:

A testnek a méret, az alak és a szín mellett más jellemzői is vannak. Beszéljünk az egyikről. Nézze meg alaposan az asztalt. Két kocka van az asztalon. Az egyik habból, a másik műanyagból készült. Méretben és formájukban megegyeznek, de vannak különbségek közöttük.

Kérdés: Szerinted miben különböznek ezek a kockák egymástól?

Válasz: Tömegükben különböznek egymástól.

Így van, minden testnek van tömege. Tudod milyen mértékegységekben mérik a tömeget? A tömeg mértékegysége a kilogramm. A nemzetközi minta (standard) kilogrammot Franciaországban, Sèvres városában tárolják. Erről a mintáról nagy pontossággal másolatokat készítettek más országok számára. A tömegegységet (kilogramm) vettük platina irídium tömeg 39 mm átmérőjű és magasságú henger alakú. Két üvegkupola alatt tárolják, ahonnan a levegőt kiszivattyúzzák. Ez azért történik, hogy az ötvözet ne keveredjen levegővel. Ellenkező esetben a súly súlya jelentősen megnőhet.

Bármely test tömegének mérésére mérleget használnak (8. sz. dia).

Kérdés: Milyen mérlegeket ismersz?

Válasz: Mechanikus, elektronikus.

Nézze meg a képernyőt (különböző léptékű fényképek).

Mérlegünk is van. Némelyik elektronikus, mások karos. Az asztalon elektronikus mérleg található. Csak 200 grammos testek tömegét tudják mérni. A kék állványok (dobozok) hab- és alumíniumlemezeket tartalmaznak. Meg kell mérnie ezeknek a lemezeknek a tömegét. Ehhez ki kell venni a mérleget a dobozból, le kell tenni az asztalra, majd meg kell nyomni a piros gombot és meg kell várni, amíg megjelenik két nulla. Ezután egyenként vegyük ki a tányérokat, és mérjük meg tömegüket, az eredményeket rögzítsük egy papírra. Fogalmazzuk meg a célt laboratóriumi munka: határozza meg a hab- és alumíniumlemezek tömegét, és vonjon le következtetést arról, hogy melyik test súlya nagyobb. Végezze el a munkát, majd írja be a kapott adatokat a táblázatba, és vonja le a következtetést.

A következő leckében megtanuljuk, hogyan mérjük meg a testek tömegét emelős mérlegekkel.

Szóval, foglaljuk össze. A testek milyen tulajdonságairól tanultál ezen a leckén?

Válasz: Megtudtuk, hogy a testek élő és élettelenek, természetesek és mesterségesek, különböző formájúak, színűek, méretűek és súlyúak.

Az asztalon:

Kérdés: Srácok, szerintetek tanulmányoztuk a testek összes tulajdonságát?

Ma még egy ingatlanra nem emlékeztünk. Szerinted melyik ingatlant nem említettük? A test ezen tulajdonsága mindig nagy érdeklődést mutat az orvos számára. Amikor mi betegek megyünk orvoshoz, őt mindig a beteg testhőmérséklete érdekli. Tudja, hogy milyen emberi testhőmérséklet tekinthető normálisnak? (36,6 ºC) A hőmérsékletet Celsius-fokban mérik (Anders Celsius svéd csillagász és fizikus nyomán).

Celsius, hőmérsékleti skála, amelyben 1 fok (1 °C) egyenlő a víz forráspontja és a jég légköri nyomáson mért olvadáspontja közötti különbség 1/100-ával, a jég olvadáspontját 0 °C-nak kell tekinteni, a víz forráspontját 100 °C-nak vesszük. 1742-ben A. Celsius javasolta.

Hogyan emberi test Más testeknek is van hőmérséklete. Például milyen hőmérsékletű lehet egy jégdarab? Nulla fok vagy kevesebb. Egy személy testhőmérsékletének mérésére higanyos vagy elektronikus hőmérőt használnak (9. sz. dia).

Az asztalon:

A táblára írt összes tulajdonság a test, mint tudományos fogalom szerves része. Most veled tudunk adni teljes definíció testek (10. dia).

Test - a természet vagy az ember alkotta világ tárgya, amelynek meghatározott formája, színe, tömege, mérete, hőmérséklete van.

A tudományban gyakrabban használják a „fizikai test” fogalmát.

III. Az anyag rögzítése

1. Didaktikus játék"Figyelem - fizikai test!"

A tanár különféle szavakat ejt, amelyek testeket és jelenségeket jelölnek. A srácoknak tapsolniuk kell, amikor meghallják a test nevét.

Szavak: naplemente, szivárvány, eső, fa, kitörés, könyv, medve, uralkodó, Napkelte, óra, gardrób, mennydörgés, labda, villám, Nap, földrengés, béka.

2. Munka a „Vaszilij szép” irodalmi szöveggel .

A gyerekek feladata Vaszilij macska jeleinek azonosítása fizikai test(papírra írt szöveg).

Vaszilij macska (rokonainak és barátainak egyszerűen Vasyanya) nagyon jól táplált és Kheopsz piramisához hasonló alakú, ha ül, és mézes hordó, ha áll. Az orra hegyétől a farka hegyéig ott volt 92 cm. Csíkos háta simán átfordult narancssárga hasa.

Vaszilij ragaszkodó volt, türelmes, szerető, tiszta, és tudta, hogyan emelje fel a hangulatot és javítsa a tulajdonos jólétét. Arról is híres volt, hogy csak egyszer fogott egeret. De amikor a súly elhaladt rajta 7 kg-hoz, vadászösztöne örökre elaludt, és nincs is számára jobb tevékenység, mint a gazdája karjaiban szunyókálni. Ilyen melegség árad a karjaidban alvó macskából, és ilyen gyengédség születik. Azért, mert normális macska hőmérséklet +38-39,5 °C.

IV. Osztályozás a leckéhez.

V. Házi feladat. 11. § (Különböző formájú és méretű testek rajzolása az albumlapokra, vagy fejtörőfejek a testekről, munkafüzet kitöltése papírlapokkal.)