Qattiq jism fizikasi zamonaviy texnologik jamiyat tayanadigan ustunlardan biridir. Aslini olganda, butun muhandislar armiyasi aloqa, transport, hisoblash va asosiy sohalarda zarur bo'lgan turli xil asboblar, dastgohlar, mexanik va elektron qismlarni loyihalash va ishlab chiqarishda qattiq materiallardan maksimal darajada foydalanish uchun harakat qilmoqda. tadqiqot.

QATTIQ JADDLARNING XUSUSIYATLARI

Qattiq jismlarning fizik xossalariga mexanik, issiqlik, elektr, magnit va optik xossalar kiradi. Ular harorat, bosim yoki hajmni o'zgartirganda, mexanik kuchlanish, elektr va magnit maydonlar, harorat gradientlari, shuningdek, turli xil nurlanishlar - yorug'lik, rentgen nurlari, elektronlar nurlari ta'sirida namunaning o'zini qanday tutishini kuzatish orqali o'rganiladi. , neytronlar va boshqalar.

Tuzilishi.

Qattiq jism atomlardan iborat. Uning mavjudligi atomlarni bir-biriga bog'laydigan kuchli jozibador kuchlar va itaruvchi kuchlarning mavjudligidan dalolat beradi, ularsiz atomlar orasida bo'shliqlar bo'lmaydi. Bunday o'zaro ta'sirlar natijasida qattiq jismning atomlari o'zlarining individual xususiyatlarini qisman yo'qotadilar va bu qattiq jism deb ataladigan atomlar tizimining yangi, jamoaviy xususiyatlarini tushuntiradi.

Bu kuchlarning tabiati qanday? Erkin atom musbat zaryadlangan yadro va ma'lum miqdordagi manfiy zaryadlangan elektronlardan iborat (ularning massasi yadro massasidan sezilarli darajada kam). Zaryadlangan zarralar o'rtasida ta'sir qiluvchi taniqli Kulon (elektr) kuchlari yadro va elektronlar o'rtasida tortishish, shuningdek, elektronlar o'rtasida o'zaro itarilish hosil qiladi. Demak, qattiq jismni o'zaro itaruvchi yadrolar tizimi va o'zaro qaytaruvchi elektronlar tizimidan iborat deb hisoblash mumkin, bu ikkala tizim ham bir-biriga tortiladi. Bunday ob'ektning fizik xossalari ikkita fundamental fizik nazariya - kvant mexanikasi va statistik mexanika bilan belgilanadi. Zarrachalar orasidagi o'zaro ta'sirlarning tabiati ma'lum bo'lsa-da, ularning g'ayrioddiy ko'pligi (1 sm 3 ga ~ 10 22 yadro va undan ham ko'proq elektron) qattiq jismning aniq nazariy tavsifini berishga imkon bermaydi. ELEKTRENGIYA VA MAGNETIZM; KVANT MEXANIKASI; STATISTIK MEXANIKA.

Modellardan foydalanish.

Qattiq jismlar fizikasida qattiq jismlarning soddalashtirilgan modellarini olish va keyin ularning fizik xossalarini hisoblashni amalga oshirish odatiy holdir. Modellar nazariy tavsifi mumkin bo‘lishi uchun yetarlicha sodda va shu bilan birga o‘rganilayotgan xossalarga ega bo‘lishi uchun yetarli darajada murakkab bo‘lishi kerak. Masalan, elektr o'tkazuvchanlikning ba'zi umumiy qonuniyatlarini tushuntirish uchun harakatlanuvchi elektronlar gaziga botirilgan musbat ionlar tizimi ko'rinishidagi metallning oddiy modeli juda mos keladi. Ammo 1911 yilda golland fizigi Kamerlingh Onnes tomonidan kashf etilgan o'ta o'tkazuvchanlik hodisasini hech bo'lmaganda sifat jihatidan tushuntirib beradigan mos jismoniy modelni yaratish juda qiyin bo'lib chiqdi.

Supero'tkazuvchanlik.

Ma'lumki, past haroratlarda ko'plab metallar va qotishmalar elektr tokini o'tkazish qobiliyatiga ega. (Elektr toki - elektronlarning tartibli harakati.)

1956 yilda amerikalik fizik L.Kuper ma'lum sharoitlarda metalldagi o'tkazuvchanlik elektronlari kuchsiz bog'langan juftlarni hosil qilishi mumkin degan xulosaga keldi. Aynan mana shu Kuper juftliklari 1957 yilda qurilgan mashhur Bardin-Kuper-Schriffer (BCS) o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasiga asoslanadi; 1972 yilda bu uch amerikalik fizik mukofotlangan Nobel mukofoti.

Supero'tkazuvchi holatda modda elektr tokiga qarshilik ko'rsatmaydi. Shuning uchun o'ta o'tkazuvchan moddalar ularga tayanadigan energetiklar uchun katta qiziqish uyg'otadi, masalan, uzatish uchun. elektr toki issiqlik va boshqa yo'qotishlarsiz sezilarli masofalarda. Biroq, yuqorida ma'lum (deb atalmish tanqidiy) harorat, supero'tkazuvchanlik yo'qoladi va metall elektr qarshiligini tiklaydi. Muayyan sharoitlarda o'ta o'tkazuvchanlik magnit maydon tomonidan ham yo'q qilinadi. Supero'tkazgich orqali o'tadigan elektr toki sirtda o'zining magnit maydonini hosil qiladi va shuning uchun o'ta o'tkazuvchanlik oqimi zichligining yuqori chegarasi mavjud bo'lib, undan yuqori o'ta o'tkazuvchanlik ham buziladi. Bularning barchasi va birinchi navbatda past kritik haroratlar o'ta o'tkazgichlardan keng miqyosda foydalanish imkoniyatlarini cheklaydi. Supero'tkazuvchilar doimiy ravishda suyuq vodorod yoki undan ham yaxshiroq suyuq geliy bilan sovutilishi kerak. Biroq, supero'tkazuvchi o'rashlar (masalan, niobiy bilan titanium qotishmalaridan) allaqachon elektromagnitlarda keng qo'llanilgan. Yuqori kritik haroratga ega bo'lgan yangi materiallarni (shu jumladan organik kristallar va polimerlarni), shuningdek, o'ta o'tkazgichlarni keyingi qo'llash imkoniyatini qidirish davom etmoqda. Mutaxassislar yaqin yillarda sanoat elektr dvigatellari va generatorlarida o‘ta o‘tkazgichlardan keng miqyosda foydalanish boshlanishiga umid qilishmoqda. Temir yo'l transportida supero'tkazgichlardan foydalanish ayniqsa qiziqarli istiqbollarga ega. Magnit o'tkazgichga nisbatan harakat qilganda, o'tkazgichda girdab oqimlari paydo bo'ladi, bu esa o'z navbatida harakatlanuvchi magnitni qaytaradigan magnit maydonlarni hosil qiladi. Masalan, poezdni supero'tkazuvchi magnit bilan jihozlash va relsni o'tkazgich sifatida ishlatish orqali siz magnit suspenziya (levitatsiya) ta'siriga erishishingiz mumkin. Bunday maglev poyezdlari oddiy va hoverkraft poyezdlariga nisbatan bir qator afzalliklarga ega ekanligiga ishoniladi.

Jozefson effekti.

Supero'tkazuvchanlik sohasidagi rivojlanishning yana bir yo'nalishi ingliz fizigi B. Jozefsonning ishi bilan boshlangan bo'lib, u 1962 yilda Kuper elektron juftlarining bir supero'tkazgichdan ikkinchisiga o'tishi (kvant mexanik tunnel) bilan bog'liq ajoyib effektlar ehtimolini bashorat qilgan. izolyatsion materialning yupqa qatlami. Tez orada tajribalar uning bashoratlarini tasdiqladi. Bunday birikmaning (Jozefson birikmasi deb ataladi) qiziqarli xususiyatlaridan biri shundaki, u orqali Kuper juftligi o'ta o'tkazgichlar o'rtasida potentsial farq bo'lmagan taqdirda ham mumkin. (Klassik tushunchalarga ko'ra, elektr toki faqat turli potentsialli nuqtalar o'rtasida sodir bo'ladi.) Biroq, yanada ajoyib ta'sir shundaki, Jozefson tutashuviga qo'llaniladigan doimiy potentsiallar farqi o'tish joyidan o'zgaruvchan tokning oqib chiqishiga olib keladi. Ushbu oqimning chastotasi oddiy formula bilan berilgan n= 2eV/h, bu erda 2 e- Kuper elektron juftining zaryadi, V qo'llaniladigan kuchlanish, va h- Plank doimiysi deb ataladigan asosiy konstanta.

Jozefsonning nazariy bashoratlaridan so‘ng fizika va texnika sohasidagi izlanishlar to‘lqini yuzaga kelgan bo‘lsa, ajabmas. Jozefson effektiga asoslangan qurilmalar radioastronomiyadan biotibbiyotga qadar turli sohalarda ultra sezgir detektorlar sifatida foydalanishni topdi. 1973 yilda Jozefson qattiq jismlar fizikasiga qo'shgan hissasi uchun Nobel mukofoti bilan taqdirlandi.

Transistorlar.

Ehtimol, rivojlanishga eng katta ta'sir zamonaviy fizika qattiq holatga 1949 yilda amerikalik fiziklarning kashfiyotlari ta'sir ko'rsatdi: nuqta (J. Bardin, V. Brattain) va planar (U. Shokli) o'tishlari bo'lgan tranzistorlar. Bu kashfiyotlar yarimo'tkazgichlar deb ataladigan maxsus sinf qattiq jismlarning elektr xususiyatlarini o'rganish paytida qilingan.

Transistor kuchaytirish va modulyatsiya kabi vakuum triodining (anod, katod va panjaradan iborat) funktsiyalarini bajarishga qodir bo'lgan birinchi yarimo'tkazgichli qurilma edi. Transistor vakuum trubkasidan shubhasiz afzalliklarga ega edi, chunki u katoddan filament oqimini talab qilmadi, sezilarli darajada kichikroq o'lcham va vaznga ega va uzoqroq xizmat qilish muddatiga ega edi. Shuning uchun tranzistorlar tez orada vakuum naychalarini almashtirdi va elektronika sanoatida inqilob qildi. Ushbu inqilobning ikkinchi bosqichi individual tranzistorlardan integral mikrosxemalarga o'tishga to'g'ri keldi. Bunday mikrosxemada 1 mm2 maydonga ega bo'lgan kremniy monokristal (chip) yuzasida minglab elektron komponentlar mavjud. Mikroskopik va atom darajasidagi elektrotexnika odatda mikroelektronika deb ataladi. Yarimo'tkazgichlar sohasidagi fundamental tadqiqotlari va germaniy va kremniy kabi moddalarda tranzistor effektini kashf etgani uchun Shokli, Bardin va Bratten 1956 yilda Nobel mukofoti bilan taqdirlangan. INTEGRATED CIRCUIT; TERMAL ELEKTRONLARNING Emissiyasi.

Qattiq jismlar xossalarining keng doirasi, ularni texnik qo'llash doirasi, shuningdek, yangi qattiq kimyoviy birikmalar yaratishning amalda tuganmas imkoniyatlari qattiq jismlar fizikasini fizika, kimyo, metallurgiya, fizika va boshqalar kabi fanlarda birinchi o'rinlardan biriga qo'ydi. turli sohalar muhandislik amaliyoti, biologiya va tibbiyot fanlari. Qattiq jismlar fizikasi fizikaning eng yirigi; unda fizika sohasida ishlaydigan barcha tadqiqotchilarning taxminan to'rtdan bir qismi ishlaydi va ilmiy nashrlarning tegishli qismi unga bag'ishlangan. Qattiq jismlar fizikasining fanlararo tabiati va uning nazariyasi, tajribalari va amaliy qo'llanilishining sof fan va texnologiyaga samarali ta'siri ayniqsa qimmatlidir.

Kristallarning simmetriyasi va tasnifi.

Kristallografiya (so'zning ma'lum darajada cheklangan ma'nosida) - kristallarning geometrik xossalarini va ularni simmetriya tushunchasiga asoslangan tasnifini tavsiflovchi fan. Kristal tuzilishini o'rganish qattiq jism fizikasining asosini tashkil qiladi. Kristallografik ma'lumotlarning asosiy qismi 19-asrning oxirlarida to'plangan.

Beril, olmos yoki tosh tuzi kabi tabiiy minerallarning namunalari ularning tipik xususiyatlarini aniqlaydigan tekis yuzlari va tekis qirralariga ega. tashqi ko'rinish(1-rasm). Bunday moddalar odatda kristallar deb ataladi, garchi O'rta asrlarning oxirigacha bu atama faqat kvartsga nisbatan qo'llanilgan. Birinchi mineraloglar, birinchi navbatda, kristallarning shakli bilan qiziqdilar, ya'ni. ularning morfologiyasi. Toskana Buyuk Gertsogi saroyining daniyalik shifokori, geologiya sohasidagi tadqiqotchi N. Stenon 1669 yilda yuzlar orasidagi burchaklarning doimiyligi qonunini kashf etdi. Stenon qonuniga ko'ra, berilgan moddaning mos keladigan kristall yuzlari orasidagi burchaklar uning barcha kristallari uchun bir xil bo'ladi. Ushbu qonunning to'g'riligi, ayniqsa, 1772 yilda R. de Lisl tomonidan amalga oshirilgan ko'plab o'lchovlardan so'ng, qayta-qayta tasdiqlangan. Bundan ancha oldin Kepler, Dekart, Gyuygens va Guk kabi olimlar kristallarning tashqi shakllari to'g'ri (muntazam) aks ettirilishini taklif qilishgan. ) sferik yoki ellipsoidal zarrachalarning ichki joylashishi. 1782 yilda R.Ayui bu fikrlarni umumlashtirgan. U parallelepipedga o'xshash uch o'lchamli kristall bir xil "g'ishtlardan" iborat deb hisoblardi. Ushbu g'oyaga asoslanib, X.Vays 1808 yilda uchta vektor bilan aniqlangan kristallografik o'qlar tizimini joriy qildi. a, b, c, Ayui "g'isht" ning uch tomoniga mos keladigan, ya'ni. birlik hujayra. O'rni vektor bilan belgilanadigan cheksiz nuqtalar (tugunlar) to'plami R = n 1 a + n 2 b + n 3 c, Qayerda n 1 , n 2 va n 3 butun sonlar bo'lib, ular fazoviy panjara deb ataladi. Bunday panjara kristall emas, balki sof matematik ob'ektdir. Biroq, agar uning har bir tuguniga bir yoki bir nechta atomlardan iborat takrorlanuvchi element joylashtirilsa, kristall qurish uchun ishlatilishi mumkin (2-rasm). Aksincha, agar siz ixtiyoriy nuqtani (tugun) tanlasangiz, kristalga mos keladigan fazoviy panjara qurishingiz mumkin. P 1 va keyin boshqa barcha nuqtalarni toping P 2 , P 3 ,..., bu nuqtalarning muhiti har jihatdan nuqtadan qanday ko'rinsa, xuddi shunday ko'rinadigan xususiyatga ega P 1 . Ko'p nuqta P 1 , P 2 , P 3,... bu holda kristallning fazoviy panjarasini hosil qiladi.

Simmetriya tushunchasi asosida panjaralar va kristalllarni tasniflash qat'iy ta'riflarni talab qiladi. Simmetriya operatsiyasi - qattiq jismda bajarilganda bu jismni o'zgarishsiz qoldiradigan operatsiya, keyin esa bu jism bu amalga nisbatan o'zgarmas deb ataladi. (Masalan, shar har qanday o'q atrofida aylanishi, bir joydan ikkinchi joyga harakatlanishi, ko'zguda aks etishi va hokazolarga nisbatan o'zgarmasdir) Agar rasmdagi ikki o'lchovli panjara. 2 vektor tomonidan belgilangan joy o'zgarishiga bog'liq a, keyin biz yana asl panjarani olamiz; vektor tomonidan belgilangan siljishga nisbatan ham xuddi shunday, albatta b. Umuman olganda, uchta vektor bilan aniqlangan birlik hujayrali panjara a, b, c, tenglik bilan aniqlangan barcha tarjima (o'tkazish) operatsiyalariga nisbatan o'zgarmasdir T= n 1 a+ n 2 b= n 3 c, Qayerda n 1 , n 2 , n 3 - butun sonlar. Bunday barcha amallar to'plami berilgan panjaraning tarjima guruhi deb ataladi.

Fazoviy panjara uchun boshqa simmetriya operatsiyalari mavjud, ya'ni berilgan nuqta qo'zg'almas (harakatsiz) bo'lib qoladi. Bunday amallar nuqta operatsiyalari deb ataladi va ularga berilgan nuqtadan o'tuvchi o'qlar atrofida aylanishlarni, shuningdek, berilgan nuqtadan o'tadigan tekisliklarda ko'zgu akslarini o'z ichiga oladi. Shaklda ko'rsatilgan ikki o'lchovli panjara holatida. 2, masalan, chizma tekisligiga perpendikulyar panjaraning biron bir nuqtasidan o'tadigan o'qni tasavvur qilish mumkin. Ushbu o'q atrofida 180 ° aylanish to'rni o'zgartirmaydi. Bunday o'qning 2-tartibli simmetriyaga ega ekanligini aytish odatiy holdir. Umuman olganda, tananing simmetriya o'qi bor n-chi tartib, agar tana burchak orqali aylantirilsa (360 ° / n) tanani o'zgarishsiz qoldiradi. Masalan, kubning har bir fazoviy diagonali u uchun 3-darajali simmetriya o‘qi, kub markazi orqali uning istalgan juft yuziga perpendikulyar o‘tkazilgan o‘q esa 4-tartibdagi simmetriya o‘qi hisoblanadi. Berilgan nuqta qo'zg'almas va tanani o'zgarishsiz qoldirish sharti bilan mumkin bo'lgan simmetriya operatsiyalarining to'liq to'plami bu tananing nuqta guruhi deb ataladi. Fazoviy panjara yoki kristall uchun nuqta simmetriyasi translatsiya simmetriyasining ham qondirilishi talabi bilan cheklanadi. Bu mos ravishda 2-, 3-, 4- va 6-tartibli simmetriyaga ega boʻlgan aylanish oʻqlari sonini toʻrttaga qisqartiradi. 3-rasmda, masalan, panjara nima uchun 5-tartibli simmetriya o'qiga ega bo'lmasligi tushuntiriladi: tekislikni beshburchaklar bilan qoplab bo'lmaydi.

Kosmik panjaralar uchun faqat etti xil nuqta guruhlari mavjud; ular ettita kristalli tizim yoki tizimni belgilaydi. Har bir tizim birlik hujayraning turi bilan tavsiflanishi mumkin, ya'ni. burchaklar a, b, g eksa o'rtasida a, b, c va bu o'qlar uzunliklarining nisbati. Birlik hujayralarning tegishli turlarining tasnifi va mos keladigan kristalli tizimlarning nomlari quyida keltirilgan; katakchalarning qirralari va burchaklarining belgilari shaklga mos keladi. 4.

To'liq simmetriya guruhi yoki kristallning fazoviy guruhi - panjara o'zgarmas bo'lgan barcha simmetriya operatsiyalari (nuqta operatsiyalari, tarjimalar, shuningdek ularning turli kombinatsiyalari) to'plami. Panjara bo'lishi mumkin bo'lgan 14 xil kosmik guruhlar mavjud; ular 14 xil fazoviy panjaraga mos keladi (5-rasm). Ushbu panjaralar birinchi marta 1848 yilda Bravais tomonidan sinchkovlik bilan geometrik tahlil asosida tasvirlangan va uning nomini olgan. (Har bir Bravais panjarasi ettita kristall tizimdan biriga tegishli.)

Panjara simmetriyasining rasmiy nazariy tavsifidan haqiqiy kristall tavsifiga o'tishda, shuningdek, har bir panjara joyida joylashgan atomlar yoki atom guruhlari simmetriyasini hisobga olish kerak. Keyin kristallar uchun jami 230 xil fazo guruhlari mavjudligi ma'lum bo'ladi (hali ham 14 xil Bravais panjaralari mavjud). Bu guruhlar 1891 yilda E.S.Fedorov va S.Shenflies tomonidan guruhlar nazariyasi asosida olingan va tavsiflangan.

Kristal simmetriya nazariyasi magnit kristallar bilan bog'liq holda qiziqarli rivojlanishni oldi. Magnit tartiblangan holatda davriylik faqat atomlarning joylashuvi bilan emas, balki ularning magnit momentlarining yo'nalishi bilan ham aniqlanadi. Shuning uchun magnit fazo guruhlari soni 230 dan ancha ko'p bo'lishi kerak. Magnit fazoviy simmetriya guruhlarining umumiy soni 1651. Kristalning makroskopik xossalarining simmetriyasini tavsiflash uchun simmetriya o'zgarishlarining ma'lum to'plamlari ajratiladi, ular so- kristallning "magnit kristall klassi" deb ataladi. Jami 122 ta shunday sinf mavjud.

Kristal tuzilishi va diffraksiyasi.

Kristallardagi atomlarning joylashishini eksperimental o'rganish 1895 yilda Rentgen tomonidan rentgen nurlanishini kashf etgandan keyingina mumkin bo'ldi. Ushbu nurlanish haqiqatan ham elektromagnit nurlanishning bir turi ekanligini tekshirish uchun 1912 yilda Laue Fridrix va Knippingga kristall orqali rentgen nurlarini o'tkazishni va diffraktsiya naqshining paydo bo'lishini ko'rishni maslahat berdi. Tajriba ijobiy natija berdi.

Rentgen nurlari difraksiyasi hodisasiga asoslanib, ota va o'g'il Bragg kristallarning rentgen nurlanishini tahlil qilish uchun juda qimmatli eksperimental usulni yaratdilar. Ularning ishi zamonaviy qattiq jismlar fizikasining boshlanishi hisoblanadi. Qattiq jismlar fizikasi laboratoriyalarida mos keladigan juda murakkab avtomatlashtirilgan uskunalar endi odatiy holga aylandi. Bunday rentgen apparatlari va kompyuterlar tufayli murakkab kristallda ham atomlarning joylashishini aniqlash deyarli odatiy holga aylandi. 1914 yilda Laue erishgan yutuqlari uchun Nobel mukofoti bilan taqdirlandi; Mag'rur ota va o'g'il bir yil o'tib bir xil mukofotni bo'lishdi.

Rentgen nurlari difraksion tahlilining kuchi uning yuqori selektivligiga asoslanadi. Misol uchun, monoxromatik rentgen nurlari bitta kristallga tasodifiy yo'nalishda tushsa, xuddi shu yo'nalishda paydo bo'ladigan (lekin difraksiyalanmagan) nurni kuzatish mumkin. Difraksion nurlar faqat kristallografik o'qlarga nisbatan bir necha qat'iy belgilangan (diskret) tushish burchaklarida paydo bo'ladi. Bu holat kristall aylanish usuli asosida yotadi, bunda bitta kristallning ma'lum bir o'q atrofida aylanishiga ruxsat beriladi va diffraktsiya kuzatiladigan yo'nalishlar aniq aniqlanadi. Boshqa tajribalar kukunli kristalli namunalar va monoxromatik nurdan foydalanishi mumkin; - bu usul Debye-Scherrer deb ataladi. Bunday holda, alohida kristallitlar yo'nalishining uzluksiz spektri mavjud, ammo etarli darajada intensiv difraksiyalangan nurlar faqat ma'lum bir yo'nalishga ega bo'lgan kristallitlarni hosil qiladi. Kukun usuli katta monokristallarning o'sishini talab qilmaydi, bu uning Laue va kristall aylanish usullaridan ustunligidir. Laue usulida monokristal va uzluksiz spektrli rentgen nurlari ishlatiladi, shuning uchun kristalning o'zi diffraktsiya naqshlarini shakllantirish uchun mos to'lqin uzunliklarini tanlaydi (7-rasm).

X-nurlarining difraksion tahlili kristallning tuzilishi haqida qanday ma'lumotlarni berishi mumkin? rentgen nurlanishi- bu elektromagnit to'lqinlar bo'lib, ularning elektr maydonlari zaryadlangan zarralar, ya'ni elektronlar va qattiq jismning atomlari bilan o'zaro ta'sir qiladi. Elektronlarning massasi yadro massasidan ancha kichik bo'lgani uchun rentgen nurlari faqat elektronlar tomonidan samarali tarzda tarqaladi. Shunday qilib, rentgen nurlarining diffraktsiya naqshlari elektronlarning taqsimlanishi haqida ma'lumot beradi. Nurlanishning diffraktsiya yo'nalishlarini bilib, kristall yoki kristall sinfining (kubik, tetragonal va boshqalar) simmetriya turini, shuningdek, birlik katakchalari tomonlarining uzunliklarini aniqlash mumkin. Diffraktsiya maksimallarining nisbiy intensivligiga asoslanib, birlik hujayradagi atomlarning holatini aniqlash mumkin. Aslini olganda, diffraksion naqsh kristaldagi elektronlarning taqsimlanishining matematik tarzda o'zgartirilgan rasmidir - uning Furye tasviri deb ataladi. Binobarin, u atomlar orasidagi kimyoviy bog'lanishlar tuzilishi haqida ham ma'lumot oladi. Masalan, rentgen nurlari difraksiyasi stol tuzining (NaCl) haqiqatda musbat va manfiy ionlardan tashkil topganligini, shuningdek, elektronlar germaniy kabi moddada joylashganligini aniqlashi mumkin. Nihoyat, bitta diffraksion maksimalda intensivlikni taqsimlash kristallitlarning o'lchamlari, shuningdek, panjara kamchiliklari (nuqsonlari), mexanik kuchlanishlar va kristall strukturaning boshqa xususiyatlari haqida ma'lumot beradi.

Rentgen nurlari diffraktsiyasi qattiq jismlarni atom darajasida o'rganishning eng qadimgi usuli bo'lsa-da, u rivojlanishda va takomillashishda davom etmoqda. Shunday yaxshilanishlardan biri elektron tezlatgichlardan rentgen nurlarining kuchli manbalari - sinxrotron nurlanishi sifatida foydalanishdir. Sinxrotron - elektronlarni juda yuqori energiyaga tezlashtirish uchun yadro fizikasida keng qo'llaniladigan tezlatgich. Elektron hosil qiladi elektromagnit nurlanish ultrabinafshadan rentgen nurlanishigacha bo'lgan diapazonda. Yangi ishlab chiqilgan qattiq holatdagi zarrachalar detektorlari bilan birgalikda ushbu yangi manbalar qattiq jismlar haqida yangi batafsil ma'lumotlarni taqdim etishi kutilmoqda.

Neytronlar 1932-yilda kashf etilgan.Toʻrt yildan soʻng ularning toʻlqin tabiati diffraksion tajribalar bilan tasdiqlangan. Qattiq jismlarni o'rganish vositasi sifatida neytronlardan foydalanish yadro reaktorlari yaratilgandan so'ng mumkin bo'ldi, ularda taxminan 1950 yildan boshlab 10 12 neytron/sm 2 Hs tartibli neytron oqimi zichligi yaratilgan. Zamonaviy reaktorlar minglab marta kuchliroq oqimlarni ta'minlaydi.

Neytronlar neytral zarralar bo'lib, faqat qattiq yadrolar bilan o'zaro ta'sir qiladi (hech bo'lmaganda magnit bo'lmagan materiallarda). Bu mulk bir necha sabablarga ko'ra ahamiyatlidir. Yadrolar atom oʻlchamiga nisbatan nihoyatda kichik boʻlgani va yadrolar va tushayotgan neytronlar orasidagi oʻzaro taʼsir qisqa masofada boʻlgani uchun neytron nurlari yuqori oʻtish kuchiga ega va qalinligi bir necha santimetrgacha boʻlgan kristallarni oʻrganish uchun ishlatilishi mumkin. Bundan tashqari, neytronlar og'ir va engil elementlarning yadrolari tomonidan intensiv ravishda tarqaladi. Aksincha, rentgen nurlanishi elektronlar tomonidan tarqaladi va shuning uchun u uchun atomlarning tarqalish kuchi elektronlar soni bilan ortadi, ya'ni. elementning atom raqami. Binobarin, kristalldagi yorug'lik elementlari atomlarining o'rnini rentgen nurlari diffraktsiyasi bilan emas, balki neytron bilan ancha aniqroq aniqlash mumkin. Bu, ayniqsa, vodorod atomlarining yadrolariga yoki vodorod ionlariga, protonlarga teng. Protonlarni neytron diffraktsiyasi bilan aniqlash mumkin, lekin rentgen nurlari difraksiyasi bilan emas, chunki ular elektronlarni o'z ichiga olmaydi. Neytronlarning bu xossasi vodorod bog'lari bo'lgan moddalarni o'rganishda alohida ahamiyat kasb etadi. Shunga o'xshash aloqalar nafaqat noorganik moddalarda, balki, xususan, ularda ham paydo bo'ladi biologik materiallar(masalan, DNK molekulalari).

Neytron nurlari qattiq jismlarni o'rganishda muhim rol o'ynaydi, chunki neytronlar va atom yadrolari solishtirma massaga ega. Shuning uchun, qattiq jismni neytron bombardimon qilish paytida, neytronlar panjara to'lqinlarini qo'zg'atishi (va shimib olishi) mumkin, ya'ni. kristall yadrolar tizimida tarqaladigan elastik to'lqinlar. (Ovoz to'lqini ham panjara to'lqinidir.) Bunday noelastik to'qnashuvlarda neytron energiya va impulsni yo'qotadi (yoki qozonadi). Bu miqdorlardagi o'zgarishlarni o'lchash mumkin; ular qattiq jismlarning dinamik xususiyatlari haqida juda ko'p batafsil ma'lumot beradi. Shunday qilib, neytronlarni sochish tajribalari qattiq jismlardagi atomlarning tebranishlarini o'rganish uchun juda muhimdir. Nihoyat, magnit materiallarni o'rganishda neytron diffraksiyasi muhim rol o'ynaydi. Neytronlar elektr zaryadiga ega bo'lmasa ham, ular kompas ignasiga o'xshash magnit dipol momentga ega. Shuning uchun, neytron magnit atomni atomdagi barcha elektronlarning umumiy magnit momenti bilan o'zaro ta'sir qilish ma'nosida "ko'rishga" qodir. Magnit kristallga yo'naltirilgan neytronlar nuri yadrolar, shuningdek, "magnit" elektronlar tomonidan tarqaladi. Ushbu ikki turdagi sochilish kristallik va magnit tuzilish haqida ma'lumot beradi. Bunday tajribalar qattiq jismlarda magnit tartibli tuzilmalar mavjudligini - ferromagnitdagi (masalan, temirda) magnit momentlarining odatiy parallel yo'nalishidan tortib nodir tuproq metallari va ularning birikmalaridagi murakkab spiral konstruktsiyalargacha borligini aniqlash imkonini berdi.

Kimyoviy aloqalar va fizik xossalari.

Erkin atom musbat zaryadlangan yadro va uning atrofida o'z orbitalarida harakatlanuvchi bir qancha manfiy zaryadlangan elektronlardan iborat. Kvant mexanikasi qonunlariga ko'ra, atomdagi elektronlar qobiqlar o'rtasida taqsimlanadi, sxematik tarzda shaklda ko'rsatilgan. 8 natriy atomi uchun. Yadroga eng yaqin ikkita elektron hosil bo'ladi K-qobiq, keyingi sakkiz elektron - L-qobiq, va yagona tashqi elektron M-qobiq. Elektron buluti yadrodan angstromlarda (1 Å = 10-10 m) o'lchanadigan masofalargacha cho'ziladi va u umuman olganda, keskin chegaraga ega bo'lmagan atomning samarali hajmini ham aniqlaydi. Ichki qobiqlarning elektronlari kuchli bog'langan va yadroning Kulon (elektr) maydonida yaxshi joylashadi. Tashqi qobiqning elektronlari kuchsizroq bog'langan, chunki ularga ta'sir qiluvchi yadroning Kulon maydoni ichki elektronlar tomonidan qisman ekranlangan (zaiflashgan). Erkin atomlar qattiq (kristal) hosil qilish uchun birlashganda, tashqi (valentlik) elektronlar ichki (yadro elektronlari)ga qaraganda qo'shni atomlarning ta'siriga ko'proq moyil bo'ladi. Qattiq jismdagi yadro elektronlarining to'lqin funktsiyalari (orbitallari) erkin atomniki bilan deyarli bir xil. Qattiq jism atomlarining valentlik elektronlari orbitallari shunday tartibga solinganki, uning umumiy energiyasi alohida atomlarning energiyalari yig'indisidan kichik bo'lib, qattiq jismning zarur bog'lanish energiyasini ta'minlaydi. Shunday qilib, qattiq jismni ko'p sonli qattiq ion yadrolari (ichki qobiq elektronlari bo'lgan yadrolar) va valentlik elektronlarining yagona tizimidan iborat deb hisoblash mumkin.

Shunday qilib, qattiq jismni tashkil etuvchi atomlar tomonidan individuallikni yo'qotish faqat valentlik elektronlarini kollektivlashtirishga kamayadi. Valentlik elektronlari ion yadrolari o'rtasida va ular orasidagi bo'shliqlarda qanday taqsimlanishiga qarab, kimyoviy bog'lanishlarning to'rtta asosiy turi mavjud: van der Vaals, ion, metall va kovalent. Bog'lanishning tabiati asosan qattiq jismning fizik xususiyatlarini aniqlaydi. Garchi quyida tavsiflangan bog'lanish turlarining har biri haqiqiy moddalar orasida o'zining "tipik vakillari" ga ega bo'lsa-da, ko'pchilik qattiq moddalar u yoki bu oraliq toifaga kiradi.

Van der Waals kristallari.

Ma'lum bo'lgan eng oddiy qattiq jismlar neon, argon, kripton va ksenon asil gazlarning kristallaridir. Ushbu gazlarning erkin atomlarining elektron tuzilishi yopiq qobiqlar deb ataladigan konfiguratsiyaga ega, bu juda barqarorlik bilan ajralib turadi. Masalan, neonda to'ldirilgan TO-ikki elektronli va to'ldirilgan qobiq L-sakkiz elektrondan iborat qobiq; bu konfiguratsiya kvant mexanikasi qoidalari bilan ruxsat etilgan har bir qobiqdagi elektronlarning maksimal soniga mos keladi. Inert gazlar kristallaridagi elektronlar konfiguratsiyasining barqarorligi bilan ko'rsatilgan yuqori qiymatlar tashqi elektronlardan birini olib tashlash uchun zarur bo'lgan ionlanish energiyasi. Bu barqarorlik, so'zning odatiy ma'nosida asil gaz atomlarida valentlik elektronlari yo'qligini anglatadi. Darhaqiqat, hatto tashqi elektronlarni ham yadro bilan kuchli bog'langan yadro elektronlari deb hisoblash mumkin. Shuning uchun qattiq jismdagi atomlarning elektron tuzilishi erkin atomlarniki bilan deyarli bir xil bo'lib qoladi. Jami beri elektr zaryadi atomlar nolga teng va barcha elektronlar tegishli yadrolar bilan kuchli bog'langan, savol tug'iladi, bu atomlar birinchi navbatda qanday qilib qattiq bog'lanadi? Gap shundaki, neytral atomlar o'rtasida elektr dipollarning o'zaro ta'siri tufayli kuchsiz tortishish kuchlari mavjud bo'lib, ular qo'shni atomlar tomonidan o'z elektronlari harakatining sinxronlashuvi tufayli induktsiya qilinadi. Bu kuchsiz va turli omillarga juda sezgir kuchlar van der Vaals kuchlari deyiladi; Ular ko'pchilik organik kristallardagi atomlar va molekulalar o'rtasidagi aloqani aniqlaydi. Atomlar orasidagi tortishish kuchsiz bo'lganligi sababli, asil gaz kristallari past bog'lanish energiyasi (ya'ni, atomni qattiq moddadan ajratish uchun zarur bo'lgan energiya) va past erish nuqtasi bilan tavsiflanadi. Quyida qattiq holatda inert gazlar uchun bu miqdorlarning raqamli qiymatlari keltirilgan.

Ushbu qattiq moddalar mavjud bo'lgan cheklangan harorat oralig'i ularni amaliy qiziqishdan mahrum qiladi. Biroq, ular muhim rol o'ynaydi asosiy tadqiqot kristall hosil bo'lish nazariyasi, qattiq jismdagi atomlar dinamikasi, dielektriklarga kiritilgan elektronlarning harakatchanligi va boshqalar. Asil gaz atomlari deyarli sharsimon shaklga ega bo'lganligi sababli, ular orasidagi Van der Vaals kuchlari izotropik (ya'ni, barcha yo'nalishlarda teng). Shu sababli, asil gaz atomlari sharlarning eng zich o'ramiga mos keladigan tuzilishga, ya'ni yuz markazli kubik tuzilishga kristallanishi ajablanarli emas. Qo'shni atomlar orasidagi masofa atomlar sonining ko'payishi bilan ortadi, ya'ni. ulardagi elektronlar sonining ko'payishi bilan; yuqorida keltirilgan elementlar uchun 3.13, 3.76, 4.01 va 4.35Å.

Inert gazlarning kristallari yaxshi dielektriklar bo'lib chiqadi. Buni atomlardagi barcha elektronlar yadrolari bilan kuchli bog'langanligi bilan izohlash mumkin. Bunday qattiq jismlarning fizik xossalari asosan ular qurilgan atomlarning xossalari va elektron tuzilishi bilan belgilanadi.

Ion kristallari.

Ideal ion kristall musbat va manfiy zaryadlangan sharsimon ionlardan iborat. Bu fikr eng mos keladi, agar hammasi bo'lmasa, unda hech bo'lmaganda ba'zi gidroksidi halid birikmalari, ya'ni. ishqoriy metallardan biri (litiy, natriy, kaliy, rubidiy, seziy) va galogenlardan biri (ftor, xlor, brom, yod) tomonidan hosil qilingan tuzlar. Ushbu tuzlarning kristallari haqiqatan ham musbat metall ionlari va manfiy zaryadlangan halogen ionlari tomonidan hosil qilinganligi haqida dalillar mavjud. Ulardan eng to'g'ridan-to'g'ri rentgen nurlarining diffraktsiya ma'lumotlari bo'lib, ular asosida elektron zaryad taqsimoti hisoblanadi ( sm. guruch. NaCl holati uchun 9).

Bunday qattiq jismlarning atomlardan ko'ra ionlardan iborat bo'lishini quyidagicha tushuntirish mumkin. Avvalo, barcha ishqoriy metall atomlari bitta tashqi valentlik elektronga ega, galogen atomlarining tashqi qobig'ida ettita valentlik elektron mavjud. Valentlik elektron ishqoriy metall atomidan galogen atomiga o'tganda ikkita ion hosil bo'ladi, ularning har biri olijanob gaz atomlariga xos barqaror elektron konfiguratsiyaga ega. Bundan ham muhimroq, ijobiy va manfiy ionlar o'rtasidagi Kulon tortishishi tufayli energiya olishdir. Misol tariqasida natriy xloridni (NaCl) olaylik. Na atomidan tashqi (valentlik) elektronni olib tashlash uchun siz 5,14 eV (ionlanish energiyasi) sarflashingiz kerak. Ushbu elektron Cl atomiga qo'shilganda, 3,61 eV (elektron yaqinlik energiyasi) energiya ortishi mavjud. Shunday qilib, valent elektronning Na dan Cl ga o'tishi uchun zarur bo'lgan energiya (5,14 - 3,61) eV = 1,53 eV ga teng. Ikki paydo bo'lgan Na + va Cl ionlari orasidagi (kristaldagi) masofa 2,18 Å ga teng bo'lgan Kulon tortishish energiyasi 5,1 eV ni tashkil qiladi. Bu qiymat umumiy elektron o'tish energiyasini qoplaydi va ion tizimining umumiy energiyasini erkin atomlarning o'xshash tizimiga nisbatan pasayishiga olib keladi. Bu ishqor galoid birikmalarining atomlardan emas, balki ionlardan iborat bo'lishining asosiy sababidir.

Ion kristallarining energiyasini hisoblash yuqoridagi muhokamalardan ko'ra ancha murakkabroq. Ammo hech bo'lmaganda gidroksidi halogenid kristallari uchun bog'lanish energiyasining nazariy va eksperimental qiymatlari o'rtasida yaxshi kelishuv mavjud. Ion aloqalari juda kuchli, masalan, yuqori harorat erish nuqtasi, NaCl uchun 1074 K ga teng.

Elektron strukturaning yuqori darajadagi barqarorligi tufayli ion kristallari dielektriklar toifasiga kiradi. Ijobiy va manfiy ionlar elektromagnit to'lqinlar bilan o'zaro ta'sir qilganligi sababli, ion kristallari spektrning infraqizil hududida kuchli optik yutilishni namoyish etadi. (Spektrning ushbu mintaqasidagi tebranuvchi tashqi elektr maydonining chastotasi ko'ndalang to'lqinlarning tabiiy chastotasiga yaqin bo'lib, ularda kristalning musbat va manfiy ionlari qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi.) Spektrning ko'rinadigan hududida, Massiv ionlar bunday to'lqinlar ta'siriga javob berishga ulgurmasligi uchun tebranish chastotalari juda yuqori. Shuning uchun yorug'lik to'lqinlari kristall orqali o'zaro ta'sir qilmasdan o'tadi, ya'ni. bunday kristallar shaffofdir. Bundan ham yuqori chastotalarda - spektrning ultrabinafsha mintaqasida - maydon kvantlari valentlik elektronlarini qo'zg'atish uchun etarli energiyaga ega bo'lishi mumkin, bu manfiy ionlarning valentlik elektronlarini musbat ionlarning band bo'lmagan holatlariga o'tishini ta'minlaydi. Bu kuchli optik yutilishga olib keladi.

Kovalent kristallar.

Eng mashhur kovalent kristallar olmos, kremniy va germaniydir. Bunday kristallardagi har bir atom muntazam tetraedrning uchlarida joylashgan to'rtta qo'shni atom bilan o'ralgan. Ushbu elementlarning har birining erkin atomlarida to'rtta valentlik elektron mavjud va bu to'rtta juft elektron aloqani (bu atom va uning to'rtta eng yaqin qo'shnilari o'rtasida) hosil qilish uchun etarli. Shunday qilib, ikkita elektron aloqa hosil qiluvchi ikkita atom tomonidan kollektivlashtiriladi va atomlarni bog'laydigan chiziq bo'ylab kosmosda joylashgan. Bu H2 vodorod molekulasidagi ikkita vodorod atomi orasidagi deyarli bir xil bog'lanishdir. Olmosda bu bog'lanishlar juda kuchli va ular bir-biriga nisbatan qat'iy belgilangan yo'nalishga ega bo'lgani uchun olmos juda qattiq materialdir. Elektron va kristall o'rtasidagi kovalent bog'lanishning kuchi energiya bo'shlig'i deb ataladigan narsa bilan tavsiflanadi - elektronga o'tkazilishi kerak bo'lgan minimal energiya, u kristallda erkin harakatlanishi va elektr tokini hosil qilishi mumkin. Olmos, kremniy va germaniy uchun bu bo'shliqning kengligi mos ravishda 5,4, 1,17 va 0,744 eV ni tashkil qiladi. Shuning uchun olmos yaxshi dielektrikdir; xona haroratida undagi termal tebranishlarning energiyasi valentlik elektronlarini chiqarish uchun juda past. Kremniyda va ayniqsa germaniyda energiya bo'shlig'ining nisbatan kichik kengligi tufayli xona haroratida ma'lum miqdordagi valent elektronlarning termal qo'zg'alishi mumkin. Shunday qilib, ular oqim o'tkazadilar, lekin ularning o'tkazuvchanligi metallarga qaraganda ancha past bo'lganligi sababli, kremniy va germaniy yarim o'tkazgichlar sifatida tasniflanadi.

Metalllar.

Yuqorida aytib o'tilganidek, kovalent qattiq jismlardagi valentlik elektronlar qo'shni atomlar tomonidan kollektivlashtiriladi va bu atomlarni bog'laydigan chiziqlar bo'ylab lokalizatsiya qilinadi. Metalllarda elektronlarning kollektivlashuvi maksimal darajaga etadi - barcha valentlik elektronlar barcha ion yadrolari tomonidan kollektivlashtiriladi. Ideal metallni ion yadrolari orasida erkin harakatlanadigan o'tkazuvchan elektronlar gaziga botiriladigan davriy tartibga solinadigan ion yadrolaridan iborat deb hisoblash mumkin. Metallning barqarorligi va uning bog'lanish energiyasining kattaligi musbat ion yadrolari va manfiy zaryadlangan elektron gaz o'rtasidagi Kulon tortishish kuchlari bilan belgilanadi. Mobil o'tkazuvchan elektronlar metallarning yuqori elektr va issiqlik o'tkazuvchanligi uchun javobgardir.

Erkin elektronlarga ega bo'lgan metallning ushbu modeli ishqoriy metallar uchun eng mos keladi va asil metallar - mis, kumush va oltin uchun kamroq mos keladi. Ishqoriy metallarda ion yadrolari umumiy hajmning faqat kichik qismini (taxminan 15%) egallaydi, kumush va oltinda esa qo'shni ion yadrolari deyarli bir-biriga tegib turadi.

To'rt turdagi qattiq jismlar o'rtasidagi farq rasmda keltirilgan diagrammalarda ko'rsatilgan. 10. Yopiq qobiqli konfiguratsiyadagi elektronlari qattiq bog'langan atomlar va ion yadrolari ochiq doiralar sifatida ko'rsatilgan. Valentlik elektronlarining fazoviy taqsimoti faqat kovalent kristallar va metallar uchun ko'rsatilgan.

Aksariyat qattiq moddalar to'rtta "sof" bog'lanish turlari o'rtasida oraliqdir. Masalan, sof ionli va sof kovalent kristallar orasida qattiq jismlarning uzluksizligi mavjud. Shuning uchun, bunday o'tkazmaydigan materiallarga qo'llanilganda, ular bog'larning qisman ionli yoki qisman kovalent tabiati haqida gapiradi. J. Fillips dielektrik xossalari va energiya bo'shlig'ining kengligidan kelib chiqqan holda turli xil birikmalar guruhlaridagi mavjud naqshlarni tavsiflash uchun ayniqsa muvaffaqiyatli yarim empirik yondashuvni taklif qildi.

Davriy sistemaning turli (yoki bir xil) guruhlari: I va VII, II va VI, III va V, IV-IV elementlardan tashkil topgan birikmalar uchun Fillips sxemasida bog‘lanishning ionlik darajalarini solishtirish qiziq. IV guruh elementlariga kelsak. Ba'zi ulanishlar uchun bu xususiyat quyidagi ma'nolarga ega:

Bu erda deyarli to'liq ionli NaCl birikmasidan sof kovalent kremniy kristaliga bosqichma-bosqich o'tishni ko'ramiz.

Vodorod aloqalari bo'lgan kristallar.

Yuqorida muhokama qilingan kristallarning tasnifi elektronlar tomonidan yaratilgan aloqalarga asoslanadi. Kimyoviy bog'lanishning yana bir turi vodorod ionlari (protonlar) orqali sodir bo'ladi. Proton bu maxsus turdagi ion: u umuman elektronga ega emas va shuning uchun juda kichik hajmga ega. "Yalang'och" proton ikkita manfiy ionni, xususan ftor, kislorod va azotning manfiy ionlarini bir-biriga bog'lashga qodir. Masalan, F - H + F - chiziqli tuzilishga ega bo'lgan vodorod diftorid ioni HF 2 - o'zining barqarorligi ikkita manfiy ftor ionini bog'laydigan proton mavjudligidan qarzdor. Vodorod bog'lari molekulyar biologiyada (birinchi navbatda genetikada) muhim rol o'ynaydi, chunki ular DNK molekulalarining qo'sh spiral tuzilishining ikkita ipini ushlab turishda ishtirok etadi. Bu bog'lanishlar ferroelektriklar fizikasida ham muhim ahamiyatga ega (masalan, kaliy dihidrogen fosfat KH 2 PO 4) va asosan suv va muzning ajoyib jismoniy xususiyatlari uchun javobgardir.

KRISTALLAR O'SIYDI

Ba'zi kristallarning xususiyatlarini o'rganish uchun yaxshi namunalarni tayyorlash (o'stirish) kerak - ko'pincha mukammallik va kimyoviy tozalikning eng yuqori darajasidagi monokristallar shaklida. Har xil fizik yoki kimyoviy nuqsonlarning qattiq jismlarning xossalariga ta'sirini o'rganish uchun bunday kamchiliklarni (nuqsonlarni) qattiq jismga u yoki bu tarzda boshqariladigan tarzda kiritish talab qilinadi. Bunday holda, boshlang'ich materiallar sifatida yuqori kimyoviy tozalikdagi materiallardan foydalanish kerak. An'anaviy kimyoviy tozalash usullariga qo'shimcha ravishda, ko'plab metallar va yarim o'tkazgichlarni zonali eritish orqali tozalash mumkin.

Kristallarni eritmadagi erituvchini asta-sekin bug'lash, eritmani sovutish yoki bug'ni kondensatsiya qilish orqali etishtirish mumkin. Kristallar Bridgman yoki Czochralski usuli yordamida eritmadan o'stiriladi. Czochralski usulidan foydalanilganda, vertikal sim yoki novda ustiga o'rnatilgan kichik urug'lik kristalli eritmaga botiriladi va undan keyin asta-sekin chiqariladi. Harorat va chizish tezligini to'g'ri nazorat qilish bilan, urug'lik kristalidan katta bitta kristall o'sishi mumkin. Bridgman usuliga ko'ra, eritma vertikal ravishda o'rnatilgan, pastki qismi uchli tigelga joylashtiriladi. Tigel asta-sekin o'choqning issiq zonasidan sovuqroq joyga tushirilganda, uning o'tkir tubida kristal-yadro hosil bo'ladi, u tigelni yanada tushirish paytida katta monokristalga aylanishi mumkin.

Molekulyar epitaksiya (MME) usuli yarimo'tkazgich chiplarini mos kristalli substratda qatlam-qatlam ketma-ket o'stirish imkonini beradi. Har bir qatlamda (qalinligi bir atomning diametridan oshmasligi mumkin) substratning kristall tuzilishi aniq takrorlanadi.

Ion kristalini uning metall komponenti yoki boshqa metall bug'ida qizdirish orqali unga ushbu metallning ortiqcha qismini kiritish mumkin. Ko'pgina hollarda, bunday doplangan kristallar atom darajasida joylashgan ushbu metall komponentlar tufayli yangi va qiziqarli xususiyatlarni namoyish etadi. Masalan, natriy xlorid natriy bug'ida qizdirilganda kristall shaffofdan sariq-jigarrang rangga aylanadi; bu holda ular kristallda rang markazlari paydo bo'lganligini aytishadi. Ba'zi hollarda, metall bug'ida qizdirilganda kristallga kiritilgan metall atomlari asl ion kristaliga o'rnatilgan kichik metall kristallariga koagulyatsiya qilinishi mumkin.

Yuqori aniqlikdagi elektron mikroskop.

An'anaviy optik yoki yorug'lik mikroskopida ruxsat chegarasi nisbatan uzun to'lqin uzunligi bilan belgilanadi. ko'rinadigan yorug'lik. Bu taxminan 5000 Å dan kam bo'lgan xususiyatlarni kuzatish mumkin emasligini anglatadi. Elektron mikroskopda yorug'lik o'rniga to'lqin uzunligi taxminan 0,04 Å bo'lgan elektronlar nurlari ishlatiladi, bu hatto atom diametridan ham sezilarli darajada kichikdir. Birinchi amaliy elektron mikroskop E. Ruska tomonidan yaratilgan (Berlin, 1933). O'shandan beri olimlar tasvirni olishga harakat qilishdi individual atom, va oxir-oqibat elektron mikroskopiya ishonchli, yaxshi sinovdan o'tgan tadqiqot usuliga aylandi. Uning yordami bilan biologiya sohasidan (bakteriyalar, viruslar tuzilishi) ko'plab ma'lumotlar, shuningdek kristallarning tuzilishi haqida ma'lumotlar olish mumkin edi. Elektron mikroskopiyadagi texnik yaxshilanishlar bir nechta angstromlar tartibida aniqlikka erishishga imkon berdi. Bu qattiq jismning birlik xujayrasi ichida metall atomlarining taqsimlanishining bevosita talqin qilinadigan tasvirlarini olish imkonini beradi. Ba'zi qiziqarli tadqiqotlar, masalan, Sankt-Peterburg universitetida o'tkazildi. Arizona. Niobiy oksidlaridan biri (kimyoviy formulasi Nb 22 O 54) vodorod gazi atmosferasida qizdirilganda kimyoviy tarkibi Manba materialiga o'rnatilgan Nb 12 O 29. Buni yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopda ko'rish mumkin. Nb 22 O 54 boshlang'ich oksidi oktaedrlardan tashkil topgan 3g'3 va 3g'4 bloklari qatorlarining muntazam almashinishi bilan tavsiflanadi, uning markazida niobiy atomi va uchlarida oltita kislorod atomi joylashgan. Shaklda. 11-rasmda ikkita bir xil qatorlar (3-4-bloklardan) birin-ketin kelgan rasmdagi strelkalar bilan belgilangan joylarda almashinishning asl tartibi qanday buzilganligi ko'rsatilgan. Ushbu ikki o'lchovli nuqson qatlamlari (Vadsli nuqsonlari deb ataladi) naqsh tekisligiga perpendikulyar kristall bo'ylab tarqaladi. Ushbu misol elektron mikroskopiya qattiq jismlar fizikasida kuchli tadqiqot usuli ekanligini ko'rsatadi.

Sirt atomlarining bevosita tasviri.

Qattiq jismlarning ommaviy xususiyatlariga qiziqqan tadqiqotchilar uchun namuna yuzasi birinchi navbatda noqulaylik tug'diradi. Biroq, kristall yuzasi ko'plab fizik va kimyoviy hodisalarda muhim rol o'ynaydi, masalan, turli yarim o'tkazgichlar va mikroelektron qurilmalarning ishlashi uchun, shuningdek, kimyoviy korroziya va heterojen katalizda.

Qattiq jism sirtining xossalarini o'rganishda kristallning tashqi atom qatlamida atomlarning joylashishi haqidagi ishonchli ma'lumotlar katta ahamiyatga ega. Bu sohada o‘ta yuqori vakuum texnikasi, kam energiyali elektron diffraktsiyasi, atom yoki ionlarni tarqatish tajribalarini qo‘llash orqali sezilarli yutuqlarga erishildi. Qattiq jismning sirtlarini o'rganishda 1955 yilda Sankt-Peterburg universitetida E. Myuller tomonidan yaratilgan dala ion projektori. Pensilvaniya. Ushbu qurilma, masalan, olish imkonini berdi to'g'ridan-to'g'ri tasvir individual atom pozitsiyalari.

Metall ko'zoynaklar.

Qattiq jismlar fizikasidagi qiziqarli voqea metall oynalar deb ataladigan yangi turdagi materialning kashf etilishi edi. Shishasimon moddalar atomlarining joylashishida (suyuqliklarda bo'lgani kabi) qandaydir qisqa masofali tartib aniqlanadi, ammo kristallning uzoq masofali tartibi mavjud emas. Metalllar odatda suyuq holatdan sovutilganda tez kristallanadi. Hozirgi vaqtda juda tez sovutishni (1 sekundda 10 5 - 10 6 kelvingacha bo'lgan tezlikda) amalga oshirish mumkin, bu atomlarning tasodifiy joylashishi bilan shishasimon metallni beradi. Bunday metall ko'zoynaklar g'ayrioddiy va ba'zan noyob jismoniy xususiyatlari bilan qiziq. Xususan, ular juda qattiq, bardoshli va egiluvchan, ya'ni. Silikat ko'zoynaklardan farqli o'laroq, ular mo'rt emas. Ular elektr tokini yaxshi o'tkazadilar; ularning o'tkazuvchanligi odatda elektrotexnikada ishlatiladigan qotishmalarning o'tkazuvchanligi bilan taqqoslanadi; Shuning uchun metall ko'zoynaklar rezistorlar, qarshilik termometrlari, past harorat uchun yaxshi materialdir isitish elementlari va h.k. Metall oynalarning magnit xususiyatlariga katta e'tibor berildi. Ma'lum bo'lishicha, ferromagnit oynalar juda zaif tashqi ta'sir bilan magnitlanishi va magnitlanishi mumkin magnit maydonlar. Bu va ularning mexanik kuchi tufayli magnit ko'zoynaklar transformatorlarda, magnit kuchaytirgichlarda va ovoz yozish boshlarida foydalanish uchun javob beradi.

Ushbu tadqiqot usuli fotoelektrik effektga asoslangan - modda rentgen nurlarini o'zlashtiradi va elektronlar chiqaradi. Rentgen nurlari elektromagnit to'lqinlardir yuqori chastotali. Kvant nazariyasiga ko'ra, ular moddada faqat qat'iy belgilangan qismlarda - kvantlar yoki fotonlar deb ataladigan qismlarda so'rilishi mumkin. Fotovoltaik jarayonda fotonning energiyasi to'liq elektronga o'tadi. Ushbu energiyaning bir qismi (ish funktsiyasi deb ataladigan) elektronni qattiq jismdan yirtib tashlashga sarflanadi, qolgan qismi esa chiqarilgan elektronning kinetik energiyasiga aylanadi. XPS usuli bilan chiqarilgan elektronlarning kinetik energiyasini taqsimlash qayd etiladi. Qattiq jismdagi elektronlarning bog'lanish energiyalari spektrini hisoblash uchun ishlatiladi - biri muhim xususiyatlar material.

Adabiyot:

Holden A. FTT nima. Zamonaviy qattiq jismlar fizikasi asoslari. M., 1971 yil
Shaskolskaya M.P. Kristallar. M., 1978 yil
Geguzin Ya.E. Tirik kristal. M., 1981 yil
Chernov A.A. Kristallanish fizikasi. M., 1983 yil
Kaganov M.I., Lifshits E.M. Kvazizarralar. Kvant qattiq jismlar fizikasining g'oyalari va tamoyillari. M., 1989 yil

Ko'pincha qattiq jismlar shakli va hajmini saqlaydigan jismlardir. Biroq, jismoniy nuqtai nazardan, ushbu xususiyatlardan foydalanib, moddaning qattiq va suyuq holatini farqlash qiyin bo'lishi mumkin.

Bu moddalarning maxsus sinfi tashqi belgilar Polimerlar ham qattiq moddalarga o'xshaydi.

Polimerlar (yunoncha polimerlar — koʻp qismlardan iborat, poly — koʻp va meros — ulush, qism) molekulalari koʻp sonli muntazam va tartibsiz takrorlanuvchi bir xil yoki turli birliklardan tashkil topgan yuqori molekulyar ogʻirlikdagi birikmalardir.

Tabiiy polimerlarga tabiiy kauchuk, tsellyuloza, oqsillar va tabiiy qatronlar kiradi. Sintetik polimerlarga polistirol, polietilen va poliesterlar misol bo'la oladi.

Haqiqatan ham qattiq moddalar - bu kristallar, ulardan biri xarakterli xususiyatlar qaysi ularning tashqi ko'rinishining to'g'riligi.

Qor parchalari shaklining mukammalligiga hayratga tushish va ularning go'zalligiga qoyil qolish mumkin.

Agar giposulfitning to'yingan eritmasi, fotosuratda tasvirlarni tuzatish uchun ishlatiladigan modda, bir necha kun davomida ochiq hammomda qoldirilsa, uning pastki qismida katta kristallar, shuningdek, juda oddiy shaklda paydo bo'ladi.

Stol tuzi va shakarning kristallari ham to'g'ri shaklga ega.

Kristallarning tabiiy shakli - bu har bir modda uchun o'zgarmas bo'lgan tekis yuzlari va burchaklari bo'lgan ko'pburchaklar.

Turli moddalar kristallarining shakli bir xil emas. Ammo bir xil moddaning kristallari bo'lishi mumkin turli ranglar. Masalan, kvarts kristallari rangsiz, oltin, pushti va och lilakdir. Rangiga qarab, ularga turli nomlar beriladi. Kvarts kristallari, masalan, tosh kristalli, tutunli tosh kristalli yoki ametist deb nomlanishi mumkin. Zargar nuqtai nazaridan, bir xil moddaning ko'plab kristallari tubdan farq qilishi mumkin. Fizik nuqtai nazaridan, ular o'rtasida umuman farq bo'lmasligi mumkin, chunki bir xil moddaning ko'p rangli kristallari xususiyatlarining aksariyati bir xil.

Kristalning fizik xususiyatlari uning rangi bilan emas, balki uning ichki tuzilishi bilan belgilanadi. Ushbu bayonotning juda aniq tasviri - bir xil kimyoviy tarkibga ega bo'lgan olmos va grafitning ko'plab xususiyatlaridagi farq.

Yagona kristallar deyiladi yagona kristallar . Ba'zi moddalar, masalan, tosh kristall, ba'zan juda muntazam shaklga ega bo'lgan juda katta monokristallarni hosil qilishi mumkin.

Ko'pgina monokristallarning o'ziga xos xususiyati shundaki anizotropiya – turli yo'nalishlarda jismoniy xususiyatlarning farqi.

Kristallarning anizotropiyasi ularning simmetriyasi bilan chambarchas bog'liq. Kristalning simmetriyasi qanchalik past bo'lsa, anizotropiya shunchalik aniq bo'ladi.

Turli tekisliklarda kvarts kristalidan kesilgan ikkita plastinani olaylik. Plitalarga mum tushiramiz va uni qattiqlashtiramiz, shundan so'ng hosil bo'lgan mum dog'lariga issiq igna bilan tegizamiz. Eritilgan mumning shakliga asoslanib, vertikal tekislikdagi kristalldan kesilgan plastinka turli yo'nalishlarda turli xil issiqlik o'tkazuvchanligiga ega degan xulosaga kelishimiz mumkin.

Agar siz katta muz bo'lagidan ikkita bir xil barni o'zaro perpendikulyar yo'nalishda kesib tashlasangiz, ularni ikkita tayanchga qo'ying va ularni yuklang, shunda barlar boshqacha harakat qiladi. Bir blok yuk ortib borishi bilan asta-sekin egiladi. Ikkinchisi ma'lum bir yuk qiymatiga qadar shaklini saqlab qoladi va keyin buziladi.

Xuddi shunday, biz nafaqat issiqlik o'tkazuvchanligi va kuchining anizotropiyasi, balki monokristallarning boshqa termal, mexanik, shuningdek, elektr va optik xususiyatlari haqida ham gapirishimiz mumkin.

Aksariyat qattiq moddalar mavjud polikristal tuzilish , ya'ni u ko'plab tasodifiy joylashtirilgan kristallardan iborat va fizik xususiyatlarning anizotropiyasiga ega emas.

Biz shu paytgacha jismlarning vaqtga bog'liq harakatini ko'rib chiqdik, bu harakatlarni keltirib chiqaruvchi sabablarni aniqlamadik. Dinamika qonunlari jismlarning harakati bilan u yoki bu harakatni keltirib chiqargan yoki o'zgartirgan sabablar o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatadi.

Keling, moddiy nuqtaning translyatsion harakatini ko'rib chiqaylik, buning uchun biz dinamik xususiyatlarni kiritamiz, ular yordamida biz bunday harakatni tasvirlaymiz. Bu xususiyatlar tushunchani o'z ichiga oladi kuch, massa, impuls. Keling, mulohazalarimizni mos yozuvlar tizimlaridagi jismlarning harakatlaridan boshlaylik inertial, va ta'rifi keyinroq beriladi.

1. Har qanday jismning inertial sanoq sistemasidagi harakati faqat boshqa jismlar bilan oʻzaro taʼsir natijasida yuzaga keladi yoki oʻzgaradi. Jismlar orasidagi o'zaro ta'sirni tavsiflash uchun kuch tushunchasi kiritiladi, bu o'zaro ta'sirning miqdoriy o'lchovini beradi.

O'zaro ta'sirning fizik tabiati har xil bo'lishi mumkin, tortishish, elektr, magnit va boshqa o'zaro ta'sirlar mavjud (1-jadvalga qarang). Mexanikada kuchlarning jismoniy tabiati ahamiyatsiz, ularning kelib chiqishi masalasi aniqlanmagan. Ammo barcha turdagi o'zaro ta'sirlar uchun ularning miqdoriy o'lchovi bir xil tarzda tanlanishi kerak. Turli tabiatdagi kuchlarni bir xil standartlar va o'lchov birliklari yordamida o'lchash kerak. Mexanika qonunlari universal, ya'ni. ular har qanday tabiatdagi kuch ta'sirida jismlarning harakatini tasvirlaydi. Mexanikada ko'rib chiqiladigan o'zaro ta'sirlar uchun kuchni quyidagicha aniqlash mumkin.

Kuch vektor kattalikdir F, bu bir tananing boshqasiga mexanik ta'sirining o'lchovidir.

Mexanik o'zaro ta'sir to'g'ridan-to'g'ri aloqa qiluvchi jismlar (ishqalanish kuchi, tayanch reaktsiya kuchi va boshqalar) o'rtasida ham, uzoq jismlar o'rtasida ham sodir bo'lishi mumkin.

Moddaning zarrachalarini bog'laydigan maxsus shakl yagona tizimlar va bir zarraning ta'sirini boshqasiga cheklangan tezlikda o'tkazish fizik maydon yoki oddiygina maydon deb ataladi..

Uzoq jismlar orasidagi o'zaro ta'sirlar tortishish (tortishish) yoki elektromagnit maydonlar orqali amalga oshiriladi.

Kuchning mexanik ta'siri tananing tezlashishiga yoki uning deformatsiyasiga olib kelishi mumkin. Kuch ikki jismning o'zaro ta'siri natijasidir. Uchun to'g'ri ta'rif tanaga ta'sir qiluvchi kuchlar uchun siz ko'plab misollar keltiradigan adabiyotlardan foydalanishingiz mumkin.

Kuch F- vektor - agar uning moduli (kattaligi), fazodagi yo'nalishi va qo'llash nuqtasi berilgan bo'lsa, to'liq aniqlanadi. Vektor yo'naltirilgan to'g'ri chiziq F, chaqirildi kuchning harakat chizig'i.

Agar moddiy nuqtaga emas, balki qattiq jismga qo'llaniladigan va uning translatsion harakatini keltirib chiqaradigan kuch haqida gapiradigan bo'lsak, unda kuchning ta'sir nuqtasi uning ta'sir chizig'i bo'ylab harakatlantirilganda tanaga ta'sir o'zgarmaydi.

Bir vaqtning o'zida bir nechta kuchlarning moddiy C nuqtasiga ta'siri F 1 ,F 2 .....F n ularning geometrik (vektor) yig'indisiga teng bir kuchning ta'siriga ekvivalent va chaqiriladi natijasida yoki natijasi kuch (7-rasmga qarang):

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

7-rasm - Kuchlarning vektor qo'shilishi.

Jismga yoki jismlar tizimiga ta'sir qiluvchi kuchlarni quyidagilarga bo'lish mumkin tashqi Va ichki. Tadqiqot tarkibiga kiritilmagan organlar mexanik tizim, tashqi va deyiladi kuch, ular tomonidan harakat qilish, - tashqi. Ichki kuchlar- ko'rib chiqilayotgan tizimga kiritilgan nuqta yoki jismlardan nuqta yoki jismga ta'sir qiluvchi kuchlar.

Qaysi tizim hech qanday tashqi kuchlar harakat qilmaydi, chaqirildi izolyatsiya qilingan yoki yopiq.

2. Dinamikadagi asosiy tushuncha massa tushunchasi m, hatto kinematikada eslatilmagan, kerak emas edi. Har qanday moddiy ob'ekt (jismlar, elementar zarralar, maydonlar) massaga ega. Massa tananing ko'p qirrali xususiyati sifatida ishlaydi.

Uning tortishish xususiyatlarini aniqlaydi, ya'ni. jismni boshqa jismlarga, xususan, Yerga tortadigan kuchlar.

Massa tananing inertial xususiyatlarini tavsiflaydi, ya'ni. tananing dam olish yoki uniforma holatini saqlab qolish qobiliyati to'g'ri chiziqli harakat, yoki tezlikni o'zgartiring.

Jismning massasi m ma'lum tanadagi moddaning miqdorini aniqlaydi va r moddaning zichligining tananing V hajmiga ko'paytmasiga teng:

Jismning massasi uning tezligi bilan birgalikda tananing impuls va kinetik energiyasini belgilaydi.

Klassik mexanikada massa tushunchasi quyidagilar bilan tavsiflanadi:

• m = const, u tananing harakat holatiga bog'liq emas,
• massa - kattalik qo'shimcha, ya'ni. tizimning massasi tizimga kiritilgan jismlar massalarining arifmetik yig'indisiga teng;
• yopiq tizimning massasi tizim ichida sodir bo'ladigan har qanday jarayonlar davomida o'zgarishsiz qoladi ( massa saqlanish qonuni).

Shunday qilib, massa uchun biz quyidagi ta'rifni berishimiz mumkin.

Massa - bu jismning inertsiyasining o'lchovi yoki tortishish kuchining o'zaro ta'siri.

3. Moddiy nuqtaning momenti uning massasi va tezligining mahsulotiga teng vektor miqdori P= m v.

Tizimning impulsi moddiy nuqtalar sistemaning barcha moddiy nuqtalari momentlarining geometrik (vektor) yig'indisiga teng vektor deyiladi:

P = P 1 +P 2 +.....+ P n= P i

Massa tushunchasidan foydalanib, tizimning impulsi butun tizimning massasi va uning massa markazi tezligining mahsulotiga teng P= m v c.

Puls P- tezlik yo'nalishiga to'g'ri keladigan vektor.

Puls- jismoniy tizimning asosiy xususiyatlaridan biri. Massa ham, tezlik ham ilgari aniqlangan, ammo faqat impuls o'ziga xos xususiyatga ega. U uchun tuzilgan saqlash qonuni impuls, bu universal qonun bo'yicha. U mikrokosmosda ham amalga oshiriladi (darajada elementar zarralar, atomlar va molekulalar), ham makrodunyoda (atrofimizdagi dunyo), ham megadunyoda (sayyoralar, Koinot, Galaktika darajasida). Hozirgacha impulsning saqlanish qonuni buzilgan xodisalar topilmagan.

Qattiq- bu shakl va hajmning barqarorligi bilan tavsiflangan moddaning agregatsiya holati. Ichki tuzilishiga ko'ra qattiq jismlar quyidagilarga bo'linadi kristalli Va amorf.

Kristal jismlar

Kristallar- bu qattiq jismlar bo'lib, ularning zarralari qat'iy tartibda joylashtirilgan, fazoviy davriy takrorlanadigan tuzilmalarni hosil qiladi.

Aniqroq aytganda, zarralar muayyan muvozanat pozitsiyalari atrofida tebranadi. Agar siz ularni to'g'ri chiziqlar bilan aqliy ravishda bog'lasangiz, siz kristalning o'ziga xos "skeleti" ni olasiz. Kristalning bu tasviri deyiladi kristall panjara.

Ko'pincha kristall panjara ma'lum bir moddaning molekulasining bir qismi bo'lgan ionlardan (ijobiy va manfiy zaryadlangan atomlar) qurilgan. Masalan, osh tuzining panjarasida Na+ va Cl– ionlari mavjud (1-rasm). Bunday kristallar deyiladi ionli.

Hammasi bo'lib 230 xil fazoviy kristall tuzilmalar mavjud bo'lishi mumkinligi nazariy jihatdan isbotlangan. Ularning aksariyati (ammo hammasi emas) tabiatda topilgan yoki sun'iy ravishda yaratilgan. Shaklda. 2-rasmda oddiy kristall panjaralarga misollar keltirilgan: 1 – oddiy kubik panjara; 2 - yuzga markazlashtirilgan kubik panjara; 3 - tanaga markazlashtirilgan kubik panjara; 4 - olti burchakli panjara.

Yagona kristallar va polikristallar

Agar vaqti-vaqti bilan takrorlanadigan tuzilma (kristal panjara) tananing butun hajmiga tarqalsa, "yagona kristal" hosil bo'ladi - yagona kristall. Yagona kristallar muntazam simmetrik ko'pburchaklar shakliga ega. Ammo ular kamdan-kam hollarda bir necha santimetrga etadi. Monkristallarga misollar kiradi qimmatbaho toshlar, Islandiya shpati (3-rasm), topaz (4-rasm).

Tabiatda tasodifiy o'sib chiqqan monokristallar ko'proq uchraydi. Bunday qattiq jismlar deyiladi polikristallar. Polikristallarga misollar: tosh tuzi (5-rasm), kvarts (6-rasm), shakar, muz, temir, mis.

Anizotropiya

Kristall strukturasidagi tartibni olib keladi anizotropiya, ya'ni. jismoniy xususiyatlarning tanlangan yo'nalishga bog'liqligi. Bu kristall panjaradagi zarrachalar zichligining turli yo'nalishdagi farqi bilan izohlanadi. 7-rasmda shartli ravishda bitta kristall tekisliklaridan birida atomlarning joylashishi ko'rsatilgan. Ushbu tekis panjaraning tugunlari orqali turli yo'naltirilgan parallel to'g'ri chiziqlar o'tkaziladi ( 1, 2, 3, 4 ). Ko'rinib turibdiki, to'g'ri chiziqlar uzunligi birligiga teng miqdordagi atomlar mavjud emas. Kristalning ko'pgina mexanik xususiyatlari uni hosil qiluvchi zarrachalarning zichligiga bog'liq.

Avvalo, kristallarning turli yo'nalishdagi turli mexanik kuchi hayratlanarli. Masalan, slyuda parchasi bir yo'nalishda osonlik bilan yupqa plitalarga aylanadi, ammo uni plitalarga perpendikulyar yo'nalishda yirtib tashlash ancha qiyin. Grafit kristalli ham bir yo'nalishda osonlik bilan chiqib ketadi. Qalam bilan yozganingizda, bu delaminatsiya doimiy ravishda sodir bo'ladi va qog'ozda yupqa grafit qatlamlari qoladi. Ko'pgina kristallar issiqlik va elektr tokini turli yo'nalishlarda turlicha o'tkazadilar. Kristallarning optik xossalari ham yo'nalishga bog'liq. Shunday qilib, olmos kristalli yorug'likni unga tushayotgan nurlarning yo'nalishiga qarab turlicha sindiradi.

Yagona kristallar anizotrop, polikristallar esa izotropdir.

Erish harorati

Kristalli qattiq moddalar ma'lum bir erish nuqtasiga ega t pl, o'zgarmas doimiy bosimda erish jarayonida (8-rasm, egri chiziq 1 ).

Tananing erish nuqtasi va haroratini bilib, siz har doim kristall jism qanday agregatsiya holatida bo'lishini aniqlashingiz mumkin: agar tana harorati erish nuqtasidan katta bo'lsa, u holda tana suyuq holatda bo'ladi; agar kamroq bo'lsa, u qattiq holatda.

Polimorfizm

Qattiq holatdagi deyarli barcha moddalar fizik xossalari bilan farq qiluvchi ikki yoki undan ortiq kristall navlarda (modifikatsiyalarda) bo'lishi mumkin. Bu hodisa deyiladi polimorfizm. Shunday qilib, uglerodning ikkita turi bor - olmos va grafit: grafit yumshoq, olmos qattiq, grafit o'tkazgich, olmos dielektrik. Temirning 4 ta modifikatsiyasi, oltingugurtning 9 ta modifikatsiyasi va boshqalar ma'lum. Har bir modifikatsiya ma'lum harorat va bosim oralig'ida barqaror.

Shuningdek qarang

Amorf jismlar

Amorf jismlar atomlarning joylashishida qat'iy tartibga ega emas. Faqat eng yaqin qo'shni atomlar qandaydir tartibda joylashgan. Ammo amorf jismlardagi kristallarga xos bo'lgan bir xil struktura elementining barcha yo'nalishlarida qat'iy yo'nalish mavjud emas. 9-rasmda kvarts molekulalarining joylashishining tekis diagrammasi ko'rsatilgan - kristall tana (a) va kvarts shishasi - amorf tana (b).

Amorf jismlarning xossalari

Barcha amorf jismlar izotropik, ya'ni. ularning fizik xossalari barcha yo'nalishlarda bir xil. Amorf jismlarga shisha, smola, rozin, qandli konfet va boshqalar kiradi.

Tashqi ta'sirlar ostida amorf jismlar qattiq jismlar kabi elastik xususiyatlarni ham namoyon qiladi suyuqlik, suyuqlik kabi. Amorf jism zaif suyuqlikka ega. Shunday qilib, agar huni mum bo'laklari bilan to'ldirilgan bo'lsa, unda bir muncha vaqt o'tgach (turli haroratlar uchun har xil) mum bo'laklari "eriydi". Mum huni shaklini oladi va undan "oqishni" boshlaydi.

Past haroratlarda amorf jismlar o'z xususiyatlariga ko'ra qattiq jismlarga o'xshaydi. Ular deyarli hech qanday suyuqlikka ega emas, lekin harorat ko'tarilishi bilan ular asta-sekin yumshaydi va ularning xususiyatlari suyuqliklarning xususiyatlariga yaqinlashadi. Buning sababi shundaki, harorat oshishi bilan atomlarning bir pozitsiyadan ikkinchisiga sakrashi asta-sekin tez-tez uchraydi. Amorf jismlar, kristall jismlardan farqli o'laroq, o'ziga xos erish nuqtasiga ega emas. Amorf holatdagi modda qizdirilganda asta-sekin yumshab suyuqlikka aylanadi (8-rasm, 2-egri chiziq). Erish nuqtasi o'rniga biz gapirishimiz kerak yumshatuvchi harorat oralig'i.

Suyuq kristallar

Suyuq kristallar- bir vaqtning o'zida suyuqlik (suyuqlik) va kristallar (anizotropiya) xususiyatlariga ega bo'lgan moddalar.

Tuzilishi bo'yicha ular jelega o'xshash suyuqliklar bo'lib, cho'zilgan molekulalardan iborat bo'lib, bu suyuqlikning butun hajmi bo'ylab ma'lum bir tarzda tartibga solinadi (10-rasm).

Suyuq kristallar deyarli shaffof moddalar bo'lib, ular bir vaqtning o'zida kristall va suyuqlikning xususiyatlarini namoyon qiladi. Ularning tashqi holati qizdirilganda qattiqdan suyuq kristall holatga o'tishi va haroratning yanada oshishi bilan butunlay suyuq holatga aylanishi mumkin.

• Suyuq kristallar 1888 yilda avstriyalik botanik F. Reynitser tomonidan kashf etilgan. U xolesteril benzoat va xolesteril asetat kristallari ikkita erish nuqtasiga va shunga mos ravishda ikki xil suyuqlik holatiga ega ekanligini payqadi - bulutli (145 ° C dan 179 ° C gacha) va shaffof (179 ° C dan yuqori). Biroq, olimlar buni sezmadilar alohida e'tibor bu suyuqliklarning g'ayrioddiy xususiyatlari haqida. Uzoq vaqt davomida fiziklar va kimyogarlar suyuq kristallarni printsipial jihatdan tan olishmadi, chunki ularning mavjudligi moddalarning uchta holati nazariyasini yo'q qildi: qattiq, suyuq va gazsimon.

Suyuq kristallarning qo'llanilishi

Suyuq kristallardan foydalanishning muhim yo'nalishlaridan biri bu termografiya. Suyuq kristall moddaning tarkibini tanlab, har xil harorat diapazonlari va turli dizaynlar uchun ko'rsatkichlar yaratiladi. Misol uchun, bemorning terisida suyuq kristalli indikator tezda yashirin yallig'lanishni va hatto o'simtani aniqlaydi.

Suyuq kristallar zararli kimyoviy birikmalar bug'larini va inson salomatligi uchun xavfli bo'lgan gamma va ultrabinafsha nurlanishni aniqlash uchun ishlatiladi. Suyuq kristallar asosida bosim o'lchagichlar va ultratovush detektorlari yaratilgan.

Ammo suyuq kristall moddalarni qo'llashning eng istiqbolli sohasi axborot texnologiyalari hisoblanadi. Hozirgi vaqtda rangli suyuq kristall ekranlar qo'llaniladi mobil telefonlar, monitorlar va televizorlar. Ular kichik qalinligi, kam quvvat iste'moli, yuqori aniqlik va yorqinlik.

Shuningdek qarang

Polimerlar

G'ayrioddiy xususiyatlariga ko'ra, ular qattiq jismlarning barcha guruhidan ajralib turadi: polimerlar- molekulalari ko'p sonli takrorlanuvchi atomlar guruhidan (monomerlardan) iborat moddalar.

• pō- va mĭros - yunon tilidan. "ko'p" va "qism".

Masalan, polimer molekulasi CH 2 guruhini takrorlash orqali hosil bo'ladi:

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

Molekuladagi monomer birliklarining soni polimerning nisbiy molekulyar massasini aniqlaydi, qoida tariqasida, u juda katta - o'nlab va yuz minglab atom massa birliklarini tashkil qiladi. Masalan, polietilenning nisbiy massasi 35000 amu, kauchukning massasi 400000 amu.

Polimerlarga ko'plab tabiiy birikmalar kiradi: oqsillar, nuklein kislotalar, polisaxaridlar, kauchuk va boshqalar. organik moddalar. Katta raqam polimerlar sintetik usulda olinadi. Polimerlarning nomlari poli prefiksli monomer nomidan hosil bo'ladi: polietilen, polipropilen, polivinilatsetat va boshqalar.

Inson o'z hayotida uzoq vaqt davomida tabiiy polimer materiallardan foydalangan. Masalan, teri, moʻyna, jun, ipak, paxtadan kiyim tikilgan. Tsellyulozadan plyonkalar, tolalar, bo'yoqlar va laklar, quyuqlashtiruvchi moddalar ishlab chiqariladi. Kino va fotografiyaning rivojlanishi faqat shaffof nitrotsellyuloza plyonkasining paydo bo'lishi tufayli mumkin bo'ldi. Polyester tola asosida lavsan yoki polietilentereftalat deb ataladigan gazlamalar ishlab chiqarish o'zlashtirildi. Polipropilen va nitron ishlatiladigan sintetik tolalardir zamonaviy odam kiyim-kechak va sanoat faoliyati uchun.

Maxsus mexanik xususiyatlar

• elastiklik - nisbatan kichik yuk (kauchuklar) ostida yuqori qaytariladigan deformatsiyalarni boshdan kechirish qobiliyati;
• shishasimon va kristalli polimerlarning past mo'rtligi (plastmassalar, organik shisha).

Shuningdek qarang

Adabiyot

1. Aksenovich L.A. Fizika o'rta maktab: Nazariya. Vazifalar. Testlar: Darslik. umumiy ta'lim muassasalari uchun nafaqa. atrof-muhit, ta'lim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - 184-185,186-187-betlar.
2. Jilko V.V. Fizika: darslik. 11-sinf uchun nafaqa. umumiy ta'lim maktab rus tilidan til trening / V.V. Jilko, A.V.Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - 265-269-betlar.

Dars maqsadlari:

1. Tabiiy jismlar haqidagi bilimlarni umumlashtirish va tizimlashtirish va o'quvchilarda jismlarning xossalari haqidagi bilimlarini shakllantirish.
2. Xotira va fikrlashni rivojlantirish.

Vazifalar:

1. Tabiiy va sun'iy jismlarni, turli tana shakllarini farqlashga o'rgatish.
2. Elektron tarozi yordamida jismlarning massasini o'lchashni o'rganing.

Uskunalar: shar, Rubik kubigi, quti, gul, ko'pikli kub, kolba, elektron tarozi, alyuminiy plitalar, geometrik raqamlar, magnitlar.

Darslar davomida

I. Tashkiliy bosqich:

a) o'zaro salomlashish;

b) darsga kelmaganlarni belgilash;

Kirish.

Salom bolalar. Oldingi darslarda biz tabiat haqida gapirgan edik va bugun biz u haqida gapirishni davom ettiramiz.

Savol: Tabiat nima ekanligini eslaysizmi?

Javob: Tabiat - bu atrofimizdagi dunyoning barcha xilma-xilligi, tabiiy ravishda paydo bo'lgan hamma narsa.

Inson har doim ajoyib xususiyatga ega bo'lgan - qiziquvchanlik, o'rganishga bo'lgan cheksiz ishtiyoq. dunyo, uni o'rganing, unda sodir bo'ladigan hodisalarning mohiyatini tushuning. Va u turli ilmiy usullar yordamida muvaffaqiyatga erishdi va muvaffaqiyatga erishdi.

Savol: Tabiatni o'rganishning qanday usullarini bilasiz?

Javob: Kuzatish va tajriba.

Kuzatish va tajriba o'zaro bog'liqligini bilasiz. Har qanday hodisa yoki hodisani kuzatish jarayonida odam jismlarda sodir bo'ladigan barcha o'zgarishlarni diqqat bilan qayd etadi, so'ngra hodisaning qanday sodir bo'lishi, uni keltirib chiqaradigan sabablar haqida farazni ifodalaydi. Gipotezaning to'g'riligi eksperimental tarzda tekshiriladi. Keyin u xulosalar chiqaradi. Shu bilan birga, u maxsus so'zlarni - atamalarni ishlatadi. "Termin" nima?

Termin - bu ma'lum bir tushunchani aniq ifodalovchi so'z yoki so'zlar birikmasi. (Terminning ta'rifi qog'oz bo'laklariga yoziladi.)(1-ilova, №2 slayd).

Savol: Atrofga qarang va sizni nima o'rab turganini ayting?

Javob: Atrofimizda stol, stullar, kitoblar, bolalar va hokazo.

Savol: To'g'ri, biz turli xil narsalar bilan o'ralganmiz. Olimlar barcha ob'ektlarni qanday atama deb atashadi?

Javob: Jasadlar.

Savol: "Tana" so'zini o'qiganingizda yoki eshitganingizda, nimani tasavvur qilasiz?

Javob: Inson tanasi, hayvon.

Ozhegov lug'atida quyidagi ma'no mavjud: "Tana - bu odam yoki hayvonning tashqi va tashqi ko'rinishidagi organizmidir. jismoniy shakllar" Ammo bu so'z boshqa ma'noga ega.

Bizni o'rab turgan barcha jismlar jismlar deb ataladi.

II. Yangi materialni o'rganish.

Tabiat juda ko'p sonli turli jismlardan iborat. Bugun sinfda biz tanalarni o'rganishni davom ettiramiz.

Darsimizning maqsadi– jismlarning qanday xususiyatlari borligini aniqlang? Jismlarning xususiyatlari qanday?

Javob: Tananing xususiyatlari - bu jismlarni bir-biridan ajratib turadigan belgilar.

Tabiatning son-sanoqsiz va xilma-xil jismlari orasida jismlar borligini bilasiz tabiiy , ular tabiat tomonidan yaratilgan va inson tomonidan yaratilgan jismlar ham bor. Ular chaqiriladi sun'iy .

Savol: Rasmlarga qarang va birinchi guruhga tegishli jismlarni nomlang.

Javob: Daraxt, o't, tosh, Quyosh, kapalak va boshqalar.

Savol: Ikkinchi guruhga kiruvchi jismlarni ayting.

Javob: Qalam, kitob, qalam, stol, sumka va boshqalar.

Savol: Rasmlarga qarang va ayting-chi, jismlar yana qanday ikkita guruhga bo'lingan?

Javob: Jismlar tirik va jonsizlarga bo'linadi.

Savol: Tabiatning tirik va jonsiz jismlariga misollar keltiring.

Javob: Tirik: o'simliklar, hayvonlar. Jonsiz: tosh, oy.

Jismlarning birinchi xossasi tirik va jonsizlarga bo'linishdir.

Dars mavzusi doskaga yoziladi, so'ngra magnit yordamida jismlarning xususiyatlariga ega qog'oz parchalarini biriktiramiz (slayd No3).

Stol ustida:

Keling, jumboqlarni yechish orqali jismlarning boshqa xususiyatlarini aniqlashga harakat qilaylik (4-slayd).

Boshqotirmalar.

1. Mo''jiza Yudo - gigant
   Orqa tomonda favvora ko'tarilgan.
   (kit)
2. Qora kichkintoy
   Bo‘yiga qarab yukni tortib ololmaydi.
   (chumoli)

Savol: Sizningcha, bu topishmoqlarda tananing qaysi xususiyati haqida gapirilgan?

Javob: Hajmi, tana uzunligi haqida? Tana hajmi nima?

Hajmi - ob'ektning o'lchami, ba'zi bir hodisaning miqyosi (slayd raqami 5).

Tana o'lchami o'lchagich yoki o'lchov lentasi yordamida aniqlanadi. Demak, tananing ikkinchi xususiyati o'lchamdir.

Stol ustida:

Endi boshqa topishmoqlarni tinglang (slayd raqami 6).

1. Pancake tirik suzadi -
   Uning dumi va boshi bor.
   (qalqonbaliq)
2. Balon, oltin
   Daryo ustida to'xtadi
   Suv ustida tebrandi
   Keyin... o‘rmon ortida g‘oyib bo‘ldi!
   (Quyosh)

Savol: Topishmoqlarda tananing yana qanday xususiyati aytilgan?

Javob: Tana shakli haqida (slayd raqami 7).

Shakl (lot. forma) - ob'ektning tashqi konturi, ko'rinishi, konturlari.

Stol ustidagi narsalarga qarang. Bir tomonda geometrik shakllar, ikkinchisida - jismlar mavjud. Ular qanday shaklda? (Stolda futbol to'pi (to'p), granit (shakli yo'q), qalam (silindr), bo'r qutisi (kuboid), kitob (kuboid), Rubik kubi (kub), uchburchak Rubik piramidasi (tetraedr), kolba ( konus), yong'oq (olti burchakli prizma), gul (shakli yo'q)).

E'tibor bering, ba'zi jismlar muntazam geometrik shaklga ega, boshqalari tartibsiz shaklga ega.

Bolalar, eslaysizmi, siz allaqachon ko'rgan muntazam geometrik shakllarning qaysi jismlarini?

(7-sonli slaydda turli shakldagi ob'ektlarning fotosuratlari yoki chizmalari mavjud).

(To'g'ri va tartibsiz geometrik shakllarga ega bo'lgan jismlarga misollar qog'oz parchalariga yozib qo'yilgan.)

Stol ustida:

Endi yana stol ustida yotgan narsalarga qarang va ayting-chi, biz tananing yana qanday xususiyatini nomlamaganmiz? To'pni tasvirlab bering. U nimaga o'xshaydi?

Javob: Dumaloq, ko'k yoki ochiq ko'k (yoki boshqa rang).

Jismlarning to'rtinchi xususiyati bu rang.

Stol ustida:

Hajmi, shakli va rangidan tashqari jismlar boshqa xususiyatlarga ham ega. Keling, ulardan biri haqida gapiraylik. Stolga diqqat bilan qarang. Stolda ikkita kub bor. Ulardan biri ko'pikdan, ikkinchisi esa plastmassadan qilingan. Ularning o'lchami va shakli bir xil, ammo ular orasida farqlar mavjud.

Savol: Sizningcha, bu kublar bir-biridan qanday farq qiladi?

Javob: Ular massa jihatidan farq qiladi.

To'g'ri, har bir tananing massasi bor. Massa qanday birliklarda o'lchanganini bilasizmi? Massa birligi kilogrammdir. Xalqaro namuna (standart) kilogramm Frantsiyada Sevr shahrida saqlanadi. Ushbu namunaning nusxalari boshqa mamlakatlar uchun juda aniqlik bilan tayyorlangan. Massa birligi (kilogramm) olingan platina iridiy og'irligi diametri va balandligi 39 mm bo'lgan silindr shaklida. U ikkita shisha gumbaz ostida saqlanadi, undan havo chiqariladi. Bu qotishma havo bilan birlashtirilmasligini ta'minlash uchun amalga oshiriladi. Aks holda, vaznning og'irligi sezilarli darajada oshishi mumkin.

Har qanday tananing massasini o'lchash uchun tarozilar qo'llaniladi (slayd No 8).

Savol: Siz qanday tarozilarni bilasiz?

Javob: Mexanik, elektron.

Ekranga qarang (turli o'lchamdagi fotosuratlar).

Bizda ham tarozilar bor. Ba'zilari elektron, boshqalari esa tutqich. Stolingizda elektron tarozilar bor. Ular faqat 200 grammgacha bo'lgan jismlarning massasini o'lchashlari mumkin. Moviy stendlarda (qutilarda) ko'pik va alyuminiy plitalar mavjud. Ushbu plitalarning massasini o'lchashingiz kerak bo'ladi. Buni amalga oshirish uchun siz tarozilarni qutidan olib, stol ustiga qo'yishingiz kerak, keyin qizil tugmani bosing va ikkita nol paydo bo'lguncha kuting. Keyin plitalarni birma-bir oling va ularning massasini o'lchab, natijalarni qog'ozga yozib oling. Keling, maqsadni shakllantiraylik laboratoriya ishi: ko'pik va alyuminiy plitalarning massasini aniqlang va qaysi tananing og'irligi ko'proq ekanligi haqida xulosa chiqaring. Ishni bajaring, so'ngra olingan ma'lumotlarni jadvalga kiriting va xulosa chiqaring.

Keyingi darsda biz tutqichli tarozi yordamida jismlarning massasini qanday o'lchashni o'rganamiz.

Shunday qilib, keling, xulosa qilaylik. Ushbu darsda jismlarning qanday xossalarini bilib oldingiz?

Javob: Biz jismlar jonli va jonsiz, tabiiy va sun'iy, turli shakl, rang, o'lcham va vaznga ega ekanligini bilib oldik.

Stol ustida:

Savol: Bolalar, sizningcha, biz jismlarning barcha xususiyatlarini o'rgandikmi?

Bugun biz yana bitta mulkni eslay olmadik. Sizningcha, biz qaysi mulk haqida gapirmadik? Tananing bu xususiyati har doim shifokor uchun katta qiziqish uyg'otadi. Biz kasallar shifokorga kelganda, u doimo bemorning tana harorati bilan qiziqadi. Inson tanasining qaysi harorati normal deb hisoblanganini bilasizmi? (36,6 ºC) Harorat Selsiy bo'yicha darajalarda o'lchanadi (shved astronomi va fizigi Anders Tselsiydan keyin).

Selsiy, 1 daraja (1 ° C) atmosfera bosimida suvning qaynash nuqtasi va muzning erish nuqtasi o'rtasidagi farqning 1/100 ga teng bo'lgan harorat shkalasi, muzning erish nuqtasi 0 ° C deb qabul qilinadi; suvning qaynash nuqtasi 100 ° C deb qabul qilinadi. 1742 yilda A. Tselsiy tomonidan taklif qilingan.

Qanaqasiga inson tanasi Boshqa jismlarda ham harorat bor. Masalan, muz parchasi qanday haroratga ega bo'lishi mumkin? Nol daraja yoki undan kam. Insonning tana haroratini o'lchash uchun simob yoki elektron termometr ishlatiladi (slayd No 9).

Stol ustida:

Doskada yozilgan barcha xususiyatlar ilmiy tushuncha sifatida tananing ajralmas belgilaridir. Endi siz bilan biz bera olamiz to'liq ta'rif jismlar (slayd raqami 10).

Tana - tabiatning yoki inson tomonidan yaratilgan dunyoning ma'lum bir shakli, rangi, massasi, hajmi, harorati.

Fanda "jismoniy tana" tushunchasi ko'proq qo'llaniladi.

III. Materialni tuzatish

1. Didaktik o'yin"Diqqat - jismoniy tana!".

O'qituvchi jism va hodisalarni bildiruvchi turli so'zlarni talaffuz qiladi. Yigitlar tananing nomini eshitib, qarsak chalishlari kerak.

So'zlar: quyosh botishi, kamalak, yomg'ir, daraxt, vulqon otilishi, kitob, ayiq, hukmdor, Quyosh chiqishi, soat, shkaf, momaqaldiroq, to'p, chaqmoq, quyosh, zilzila, qurbaqa.

2. "Go'zal Vasiliy" adabiy matni bilan ishlash .

Bolalarning vazifasi Vasiliy mushukning belgilarini aniqlashdir jismoniy tana(qog'oz bo'laklariga yozilgan matn).

Mushuk Vasiliy (uning qarindoshlari va do'stlariga oddiygina Vasyanya) juda yaxshi ovqatlangan va Cheops piramidasiga o'xshaydi, agar o'tirgan bo'lsa va asal bochkasi, turgan bo'lsa. Burunining uchidan dumining uchigacha bor edi 92 sm. Uning yo'l-yo'l orqasi silliq aylandi to'q sariq-sariq qorin.

Vasiliy mehribon, sabr-toqatli, mehribon, pok edi va egasining kayfiyatini ko'tarish va farovonligini yaxshilashni bilardi. U faqat bir marta sichqonchani tutgani bilan ham mashhur edi. Ammo og'irlik undan o'tib ketganda 7 kg uchun, uning ovchilik instinktlari abadiy uyquga ketdi va uning uchun egasining bag'rida mizg'ib olishdan ko'ra yaxshiroq ish yo'q edi. Bunday iliqlik sizning qo'lingizda uxlayotgan mushukdan chiqadi va bunday noziklik tug'iladi. Chunki oddiy mushuk harorat + 38-39,5 ° S.

IV. Dars uchun baholash.

V. Uyga vazifa berish.§ 11 (albom varaqlarida turli shakl va o'lchamdagi jismlarni chizish yoki jismlar haqida jumboqlarni o'ylab topish, qog'oz varaqlari yordamida ish daftarini to'ldirish.)