Qattiq jism fizikasi zamonaviy texnologik jamiyat tayanadigan ustunlardan biridir. Darhaqiqat, muhandislarning butun armiyasi aloqa, transport, kompyuter texnologiyalari va boshqa sohalarda zarur bo'lgan turli xil asboblar, dastgohlar, mexanik va elektron qismlarni loyihalash va ishlab chiqarishda qattiq materiallardan maksimal darajada foydalanish ustida ishlamoqda. asosiy tadqiqot.

QATTIQ Jismlarning XUSUSIYATLARI

Qattiq jismlarning fizik xossalariga mexanik, issiqlik, elektr, magnit va optik xossalar kiradi. Ular harorat, bosim yoki hajm o'zgarganda, mexanik stresslar, elektr va magnit maydonlar, harorat gradientlari sharoitida, shuningdek, turli xil nurlanishlar - yorug'lik, rentgen nurlari, elektron nurlar, neytronlar ta'sirida namuna qanday harakat qilishini kuzatish orqali o'rganiladi. , va hokazo.

Tuzilishi.

Qattiq jism atomlardan tashkil topgan. Uning mavjudligi atomlarni bir-biriga bog'laydigan kuchli jozibador kuchlar va itaruvchi kuchlarning mavjudligini ko'rsatadi, ularsiz atomlar o'rtasida 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 bir qancha manfiy zaryadlangan elektronlardan iborat (ularning massasi yadro massasidan ancha kichik). 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 ikkalasi ham bir-biriga tortiladigan o'zaro itaruvchi elektronlar tizimidan iborat deb hisoblash mumkin. 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 da ~ 10 22 yadro va undan ko'p elektronlar) qattiq jismni aniq nazariy tavsiflashga imkon bermaydi. ELEKTRENGIYA VA MAGNETIZM; KVANT MEXANIKASI; STATISTIK MEXANIKA.

Modellardan foydalanish.

Qattiq jismlar fizikasida odatda qattiq jismning soddalashtirilgan modellari olinadi va keyin ularning fizik xossalarini hisoblab chiqadi. Modellar nazariy jihatdan tavsiflash uchun etarlicha sodda bo'lishi kerak, ammo o'rganiladigan xususiyatlarga ega bo'lishi uchun etarlicha murakkab bo'lishi kerak. Masalan, ko'chma elektronlar gaziga botirilgan musbat ionlar sistemasi ko'rinishidagi metallning oddiy modeli elektr o'tkazuvchanligining ba'zi umumiy qonunlarini tushuntirish uchun juda mos keladi. Ammo 1911 yilda golland fizigi Kamerling-Onnes tomonidan kashf etilgan o'ta o'tkazuvchanlik hodisasini hech bo'lmaganda sifat jihatidan tushuntirishga imkon 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 harakatidir.)

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-Sxriffer (BCS) o'ta o'tkazuvchanlik nazariyasiga asoslanadi; 1972 yilda bu uch amerikalik fizik Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.

Supero'tkazuvchi holatda modda elektr tokiga qarshilik ko'rsatmaydi. Shuning uchun o'ta o'tkazuvchan moddalar energetiklar uchun katta qiziqish uyg'otadi, ular ularga tayanadi, masalan, elektr tokini issiqlik va boshqa yo'qotishlarsiz sezilarli masofalarga uzatish. Biroq, yuqorida ma'lum (deb atalmish tanqidiy) harorat, supero'tkazuvchanlik yo'qoladi va metallda elektr qarshiligi qayta paydo bo'ladi. 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 yaratadi va shuning uchun o'ta o'tkazuvchanlik oqimining zichligining yuqori chegarasi mavjud bo'lib, undan yuqori o'ta o'tkazuvchanlik ham yo'q qilinadi. Bularning barchasi va birinchi navbatda past tanqidiy haroratlar o'ta o'tkazgichlarni keng miqyosda qo'llash imkoniyatlarini cheklaydi. Supero'tkazuvchilar doimiy ravishda suyuq vodorod bilan sovutilishi kerak va suyuq geliy bilan ham yaxshiroq sovutilishi kerak. Shunga qaramay, supero'tkazuvchi o'rashlar (masalan, titanium-niobiy qotishmalari) allaqachon elektromagnitlarda keng qo'llanilishini topdi. Yuqori kritik haroratga ega bo'lgan yangi materiallarni (shu jumladan organik kristallar va polimerlarni), shuningdek, o'ta o'tkazgichlarni keyingi qo'llash imkoniyatlarini izlash davom etmoqda. Mutaxassislar yaqin yillarda elektr motorlari va sanoat generatorlarida o'ta o'tkazgichlarni keng ko'lamda qo'llash boshlanishiga umid qilmoqda. Temir yo'l transportida supero'tkazgichlardan foydalanish ayniqsa hayajonli istiqbollarni taqdim etadi. 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 o'ta o'tkazuvchan magnit bilan ta'minlash va o'tkazgich sifatida relsdan foydalanish orqali magnit suspenziya (levitatsiya) ta'siriga erishish mumkin. Bunday maglev poyezdlari oddiy va hoverkraft poyezdlariga nisbatan bir qator afzalliklarga ega deb hisoblanadi.

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 moddaning yupqa qatlami. Tez orada tajribalar uning bashoratlarini tasdiqladi. Bunday tutashuvning (Jozefson tutashuvi deb ataladi) qiziqarli xususiyatlaridan biri shundaki, u orqali Kuper juftlari oqimi o'ta o'tkazgichlar o'rtasida potentsial farq bo'lmagan taqdirda ham mumkin. (Klassik tushunchalarga ko'ra, elektr toki faqat turli xil potentsial qiymatlarga ega bo'lgan nuqtalar o'rtasida sodir bo'ladi.) Biroq, yanada ajoyib ta'sir shundaki, Jozefson birikmasiga qo'llaniladigan doimiy potentsiallar farqi ulanish orqali o'zgaruvchan tokni keltirib chiqaradi. Ushbu oqimning chastotasi oddiy formula bilan berilgan n= 2eV/h, bu erda 2 e Kuper elektron juftining zaryadi, V qo'llaniladigan kuchlanish, va h asosiy konstanta bo'lib, Plank doimiysi deb ataladi.

Jozefsonning nazariy bashoratlaridan so‘ng fizika va muhandislik sohasidagi tadqiqotlar to‘lqini paydo bo‘lganligi ajablanarli emas. 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, zamonaviy qattiq jismlar fizikasining rivojlanishiga eng katta ta'sir 1949 yilda amerikalik fiziklarning kashfiyotlari bo'lgan: nuqta (J. Bardin, V. Brattain) va planar (V. Shokli) o'tishlari bo'lgan tranzistorlar. Ushbu kashfiyotlar yarimo'tkazgichlar deb ataladigan maxsus qattiq moddalar sinfining elektr xususiyatlarini o'rganish jarayonida qilingan.

Transistor vakuum triodining (anod, katod va panjaradan iborat) kuchaytirish va modulyatsiya funktsiyalarini bajarishga qodir bo'lgan birinchi yarim o'tkazgichli qurilma edi. Transistor elektron chiroqqa nisbatan shubhasiz afzalliklarga ega edi, chunki u katodli cho'g'lanma oqimiga muhtoj emas edi, o'lchamlari va og'irligi sezilarli darajada kichikroq edi, shuningdek, xizmat muddati uzoqroq 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 mikrosxema 1 mm2 maydonga ega bo'lgan silikon monokristal (chip) yuzasida minglab elektron komponentlarni o'z ichiga oladi. 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 mukofotiga sazovor bo'lgan. INTEGRAL SIRCUIT; TERMOELEKTRON EMISSIYA.

Qattiq jismlarning keng ko'lamli xossalari, ularni texnik qo'llash kengligi, shuningdek, yangi qattiq kimyoviy birikmalar yaratishning deyarli bitmas-tuganmas imkoniyatlari qattiq jismlar fizikasini fizika, kimyo, metallurgiya, turli sohalar kabi fanlarda birinchi o'rinlardan biriga olib chiqadi. muhandislik amaliyoti, shuningdek, biologiya fanlari va tibbiyot fanlari. Qattiq jismlar fizikasi fizika sohalari ichida eng kattasi; fizika sohasida ishlayotgan barcha tadqiqotchilarning qariyb to'rtdan bir qismi unda ishlaydi va ilmiy nashrlarning tegishli ulushi unga bag'ishlangan. Qattiq jismlar fizikasi 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 ularning simmetriya tushunchasiga asoslangan tasnifini tavsiflovchi fandir. Kristal tuzilishini o'rganish qattiq jismlar fizikasining markazidir. Kristallografik ma'lumotlarning asosiy qismi 19-asrning oxirlarida allaqachon to'plangan edi.

Beril, olmos yoki tosh tuzi kabi tabiiy minerallarning namunalari ularning tipik ko'rinishini belgilaydigan tekis yuzlari va tekis qirralariga ega (1-rasm). Bunday moddalar odatda kristallar deb ataladi, garchi O'rta asrlarning oxirigacha bu atama faqat kvartsga nisbatan qo'llanilgan. Birinchi mineralogistlar, birinchi navbatda, kristallar shakliga qiziqish bildirishdi, 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 Lisle tomonidan amalga oshirilgan ko'plab o'lchovlardan so'ng qayta-qayta tasdiqlandi. Bundan ancha oldin Kepler, Dekart, Gyuygens va Guk kabi olimlar kristallarning tashqi shakllari to'g'ri (muntazam) aks ettirilishini taklif qilishgan. sharsimon yoki ellipsoidal zarrachalarning ichki joylashishi. 1782 yilda R. Ayui bu fikrlarni umumlashtirgan. U parallelepiped shakliga ega bo'lgan uch o'lchamli kristal 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'ishtining uch tomoniga mos keladigan, ya'ni. elementar hujayra. Nuqtalarning (tugunlarning) cheksiz to'plami, ularning pozitsiyasi vektor bilan belgilanadi R = n 1 a + n 2 b + n 3 c, qayerda n 1 , n 2 va n 3 - butun sonlar, fazoviy panjara deyiladi. 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). Va 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'rinish xususiyatiga ega. P bitta. Ko'p nuqta P 1 , P 2 , P 3 ,... bu holda kristallning fazoviy panjarasini hosil qiladi.

Simmetriya kontseptsiyasiga asoslangan panjaralar va kristallarni tasniflash qat'iy ta'riflarni talab qiladi. Simmetriya operatsiyasi shunday operatsiyaki, qattiq jismda bajarilganda, bu jismni o'zgarishsiz qoldiradi va keyin bu jism ushbu operatsiyaga nisbatan o'zgarmas deb ataladi. (Masalan, shar har qanday o'q atrofida aylanish, bir joydan ikkinchi joyga o'tish, ko'zguda aks etish va hokazolarga nisbatan o'zgarmasdir) Agar rasmdagi ikki o'lchovli panjara. 2 vektor tomonidan berilgan siljish bo'yicha a, keyin biz yana asl panjarani olamiz; vektor tomonidan berilgan siljishga nisbatan ham xuddi shunday, albatta b. Umuman olganda, uchta vektor tomonidan berilgan birlik hujayrali panjara a, b, c, tenglik bilan aniqlangan barcha tarjima (o'tkazish) operatsiyalari ostida 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 ular ostida berilgan nuqta o'zgarmas (statsionar) bo'lib qoladi. Bunday amallar nuqta operatsiyalari deb ataladi va ularga berilgan nuqtadan o'tuvchi o'qlar atrofida aylanishlarni, shuningdek, berilgan nuqtadan o'tadigan tekisliklardagi oyna ko'zgularini o'z ichiga oladi. Shaklda ko'rsatilgan ikki o'lchovli panjara holatida. 2, masalan, figuraning tekisligiga perpendikulyar panjaraning biron bir nuqtasidan o'tadigan o'qni tasavvur qilish mumkin. Ushbu o'q atrofida 180 ° burilish panjarani o'zgartirmaydi. Bunday o'qning 2-tartibli simmetriyaga ega ekanligini aytish odatiy holdir. Umuman olganda, tananing simmetriya o'qi bor n-chi tartib, agar tananing burchak orqali aylanishi (360 ° / n) tanani o'zgarishsiz qoldiradi. Masalan, kubning har bir fazoviy diagonali u uchun 3-tartibli simmetriya o‘qi bo‘lib, kub markazi orqali uning istalgan juft yuziga perpendikulyar o‘tkazilgan o‘q esa 4-tartibli simmetriya o‘qi hisoblanadi. Berilgan nuqta harakatsiz va tanani o'zgarishsiz qoldirish sharti bilan mumkin bo'lgan simmetriya amallarining to'liq to'plami bu jismning 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 barobar simmetriya bilan mumkin bo'lgan aylanish o'qlari sonini to'rttaga qisqartiradi. 3-rasmda, masalan, panjara nima uchun 5-tartibli simmetriya o'qiga ega bo'lmasligini tushuntiradi: tekislikni beshburchaklar bilan qoplash mumkin emas.

Kosmik panjaralar uchun faqat etti xil nuqta guruhlari mavjud; ular yettita kristall sistemani yoki singoniyani belgilaydi. Har bir singoniya elementar hujayraning turi bilan tavsiflanishi mumkin, ya'ni. burchaklar a, b, g akslar orasida a, b, c va bu o'qlar uzunliklarining nisbati. Elementar hujayralarning tegishli turlarining tasnifi va tegishli kristalli singoniyalarning nomlari quyida keltirilgan; Hujayralarning 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) yig'indisi. 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 yettita kristall singoniyadan biriga tegishli.)

Panjara simmetriyasining rasmiy nazariy tavsifidan haqiqiy kristall tavsifiga o'tishda har bir panjara joyida joylashgan atomlar yoki atom guruhlari simmetriyasini ham hisobga olish kerak. Keyinchalik ma'lum bo'lishicha, kristallar uchun jami 230 xil fazo guruhlari mavjud (hali ham 14 xil Bravais panjaralari mavjud). Bu guruhlar 1891-yilda E.S.Fedorov va S.Sxonflies 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 momentlari 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 ta. Kristalning makroskopik xossalarining simmetriyasini tavsiflash uchun shunday bo'lgan simmetriya o'zgarishlarining ma'lum to'plamlari ajratiladi. -kristalning "magnit kristall klassi" deb ataladi. Jami 122 ta shunday sinflar mavjud.

Kristal tuzilishi va diffraksiyasi.

Kristallardagi atomlarning joylashishini eksperimental o'rganish faqat 1895 yilda Rentgen tomonidan rentgen nurlarini kashf etgandan keyin 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'tkazib, diffraktsiya naqshining paydo bo'lishini ko'rishni maslahat berdi. Tajriba ijobiy bo'ldi.

Ota va o'g'il Breggi rentgen nurlari diffraktsiyasi fenomeniga asoslanib, 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 aylangan. Bunday rentgen apparatlari va kompyuterlar tufayli, hatto murakkab kristallda ham atomlarning joylashishini aniqlash deyarli qiyin ish bo'lib qoldi. 1914 yilda Laue yutuqlari uchun Nobel mukofoti bilan taqdirlandi; ota va o'g'il Braggi 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 ixtiyoriy yo'nalishda tushsa, xuddi shu yo'nalishda paydo bo'ladigan (lekin difraksiyalanmagan) nurni kuzatish mumkin. Difraksion nurlar faqat kristallografik o'qlarga nisbatan bir nechta qat'iy belgilangan (diskret) tushish burchaklarida paydo bo'ladi. Bu holat kristall aylanish usuli asosida yotadi, bunda bitta kristalning ma'lum 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 difraksion nurlar faqat ma'lum bir orientatsiyaga ega bo'lgan kristallitlarni beradi. Kukun usuli katta monokristallarning o'sishini talab qilmaydi, bu uning Laue va kristall aylanish usullaridan ustunligidir. Laue usulida monokristal va uzluksiz spektrga ega boʻlgan rentgen nurlari qoʻllaniladi, shuning uchun kristallning oʻzi diffraktsiya naqshlarini hosil qilish uchun mos toʻlqin uzunliklarini tanlaydi (7-rasm).

X-nurlarining difraksion tahlili kristallning tuzilishi haqida qanday ma'lumotlarni berishi mumkin? Rentgen nurlari elektr maydonlari zaryadlangan zarralar, ya'ni qattiq jismning elektronlari va atomlari bilan o'zaro ta'sir qiladigan elektromagnit to'lqinlardir. Elektronlarning massasi yadro massasidan ancha kichik bo'lganligi sababli, rentgen nurlari faqat elektronlar tomonidan samarali ravishda tarqaladi. Shunday qilib, rentgen sxemasi elektronlarning taqsimlanishi haqida ma'lumot beradi. Nurlanishning tarqalish yo'nalishlarini bilib, kristall simmetriya turini yoki kristall sinfini (kubik, tetragonal va boshqalar), shuningdek, birlik kataklarining tomonlari uzunligini aniqlash mumkin. Diffraktsiya maksimallarining nisbiy intensivligidan atomlarning birlik katakdagi o'rnini aniqlash uchun foydalanish mumkin. Aslini olganda, diffraktsiya naqshlari kristalldagi 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. Misol uchun, rentgen nurlari stol tuzining (NaCl) haqiqatda musbat va manfiy ionlardan iboratligini va elektronlar germaniy kabi moddaning qayerda ekanligini aniqlashi mumkin. Nihoyat, bitta diffraktsiya cho'qqisida intensivlikning taqsimlanishi kristallitlarning o'lchamlari, shuningdek, panjara kamchiliklari (nuqsonlari), mexanik kuchlanishlar va kristall strukturasining boshqa xususiyatlari haqida ma'lumot beradi.

X-nurlari diffraktsiya tahlili qattiq jismlarni atom darajasida o'rganishning eng qadimgi usuli bo'lsa-da, u rivojlanishda va takomillashishda davom etmoqda. Bunday yaxshilanishlardan biri elektron tezlatgichlardan rentgen nurlarining kuchli manbalari - sinxrotron nurlanishi sifatida foydalanishdir. Sinxrotron elektronlarni juda yuqori energiyaga tezlashtirish uchun yadro fizikasida keng qo'llaniladigan tezlatgichdir. Elektronlar ultrabinafshadan rentgen nurlarigacha bo'lgan elektromagnit nurlanishni hosil qiladi. Yangi ishlab chiqilgan qattiq zarrachalar detektorlari bilan birgalikda ushbu yangi manbalar qattiq jismlar haqida ko'plab yangi batafsil ma'lumotlarni taqdim etishi kutilmoqda.

Neytronlar 1932-yilda kashf etilgan.Toʻrt yildan soʻng ularning toʻlqin tabiati diffraksion tajribalar bilan tasdiqlangan. Neytronlardan qattiq jismlarni o'rganish vositasi sifatida foydalanish yadro reaktorlari yaratilgandan so'ng mumkin bo'ldi, ularda taxminan 1950 yildan boshlab neytron oqimining zichligi 10 12 neytron/sm 2 H s ga teng bo'lgan. Zamonaviy reaktorlar minglab marta kuchliroq oqimlarni ta'minlaydi.

Neytronlar neytral zarralar bo'lib, faqat qattiq jismning yadrolari bilan o'zaro ta'sir qiladi (hech bo'lmaganda magnit bo'lmagan materiallarda). Bu mulk bir necha sabablarga ko'ra muhim ahamiyatga ega. 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 boʻlib, qalinligi bir necha santimetrgacha boʻlgan kristallarni oʻrganish uchun ishlatilishi mumkin. Bundan tashqari, neytronlar ham og'ir, ham engil elementlarning yadrolari tomonidan intensiv ravishda tarqaladi. Aksincha, rentgen nurlanishi elektronlar tomonidan tarqaladi va shuning uchun uning uchun atomlarning tarqalish kuchi elektronlar sonining ko'payishi bilan ortadi, ya'ni. elementning atom raqami. Binobarin, kristalldagi yorug'lik elementlari atomlarining o'rnini rentgen nurlari diffraktsiyasi emas, balki neytron yordamida ancha aniqroq aniqlash mumkin. Bu, xususan, vodorod atomlarining yadrolariga yoki ekvivalent vodorod ionlari, protonlarga tegishli. Protonlarni neytron diffraktsiyasi bilan aniqlash mumkin, lekin rentgen nurlari bilan emas, chunki ular elektronlarni o'z ichiga olmaydi. Neytronlarning bu xossasi vodorod bog'lari bo'lgan moddalarni o'rganishda alohida ahamiyatga ega. Shunga o'xshash aloqalar nafaqat noorganik moddalarda, balki, xususan, biologik materiallarda (masalan, DNK molekulalarida) paydo bo'ladi.

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, neytronlarning tarqalishi tajribalari qattiq jismlardagi atom 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 ignasi kabi dipol magnit 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 neytron nurlari yadrolar tomonidan, shuningdek, "magnit" elektronlar tomonidan tarqaladi. Ushbu ikki turdagi sochilish kristall va magnit tuzilish haqida ma'lumot beradi. Shunga o'xshash tajribalar qattiq jismlarda magnit momentlarining odatiy parallel yo'nalishini (masalan, temirda) ferromagnitda (masalan, temirda) noyob tuproq metallari va ularning birikmalarida murakkab helikoidal tuzilmalargacha bo'lgan magnit tartibli tuzilmalar mavjudligini aniqlash imkonini berdi.

Kimyoviy bog'lanishlar va fizik xossalari.

Erkin atom musbat zaryadlangan yadro va uning atrofida o'z orbitalarida harakatlanuvchi bir qancha manfiy zaryadlangan elektronlardan iborat. Kvant mexanikasi qonunlariga muvofiq, atomdagi elektronlar shaklda sxematik ko'rsatilgan qobiqlar bo'ylab taqsimlanadi. natriy atomi uchun 8. Yadroga eng yaqin bo'lgan 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 masofalarga cho'ziladi, u, shuningdek, atomning samarali hajmini belgilaydi, umuman olganda, keskin chegaraga ega emas. Ichki qobiqlarning elektronlari kuchli bog'langan va yadroning Kulon (elektr) maydonida yaxshi joylashadi. Tashqi qobiqning elektronlari kamroq bog'langan, chunki ularga ta'sir qiluvchi yadroning Kulon maydoni ichki elektronlar tomonidan qisman ekranlangan (zaiflashgan). Erkin atomlar yaqinlashib, qattiq jismni (kristall) hosil qilganda, 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 elektronlarining ion yadrolari o'rtasida va ular orasidagi bo'shliqlarda qanday taqsimlanishiga qarab, kimyoviy bog'lanishning 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 inert gazlarining kristallaridir. Ushbu gazlarning erkin atomlarining elektron tuzilishi yopiq qobiqlar deb ataladigan konfiguratsiyaga ega bo'lib, ular juda barqarorligi bilan ajralib turadi. Misol uchun, neonda to'ldirilgan TO-ikki elektron 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 tashqi elektronlardan birini olib tashlash uchun zarur bo'lgan ionlanish energiyasining yuqori qiymatlari bilan ko'rsatiladi. Bunday barqarorlik inert gazlar atomlarida so'zning odatiy ma'nosida 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. Atomlarning umumiy elektr zaryadi nolga teng bo'lgani va barcha elektronlar o'z yadrolari bilan kuchli bog'langanligi sababli, savol tug'iladi, bu atomlar qanday qilib qattiq jismga bog'lanadi? Gap shundaki, neytral atomlar o'rtasida qo'shni atomlar tomonidan o'z elektronlari harakatining sinxronlashuvi tufayli induktsiya qilingan elektr dipollarining o'zaro ta'siri tufayli zaif jozibali kuchlar mavjud. Bu kuchsiz va turli omillarga juda sezgir bo'lgan kuchlar van der Vaals kuchlari deyiladi; ular ko'pchilik organik kristallardagi atomlar va molekulalar orasidagi bog'lanish uchun javobgardir. Atomlar orasidagi tortishish kuchsiz bo'lganligi sababli, inert 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 holatdagi inert gazlar uchun bu miqdorlarning raqamli qiymatlari keltirilgan.

Ushbu qattiq moddalar mavjud bo'lgan cheklangan harorat oralig'i ularni amaliy qiziqishdan mahrum qiladi. Lekin ular kristallarning hosil boʻlish nazariyasi, qattiq jismlardagi atomlar dinamikasi, dielektriklarga yuborilgan elektronlarning harakatchanligi va boshqalarga oid fundamental tadqiqotlarda muhim rol oʻynaydi. Inert gazlarning atomlari sferik shaklga yaqin bo'lganligi sababli, ular orasidagi Van der Vaals kuchlari izotropik (ya'ni, barcha yo'nalishlarda bir xil). Shuning uchun, inert gazlar atomlari sharlarning eng zich o'ramiga mos keladigan tuzilishga, ya'ni yuz markazli kubik tuzilishga kristallanishi ajablanarli emas. Qo'shni atomlar orasidagi masofa atomlarning ko'payishi bilan ortadi, ya'ni. ulardagi elektronlar sonining ko'payishi bilan; yuqoridagi elementlar uchun 3.13, 3.76, 4.01 va 4.35Å.

Inert gaz 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. Agar hammasi bo'lmasa, unda hech bo'lmaganda gidroksidi halid birikmalarining ba'zilari, ya'ni bu fikrga eng mos keladi. 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 nurlanishini tahlil qilish ma'lumotlari bo'lib, ular asosida elektron zaryad taqsimoti hisoblanadi ( sm. guruch. NaCl holati uchun 9).

Bunday qattiq jismlarning atomlardan emas, balki ionlardan tashkil topganligini 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 inert gaz atomlariga xos barqaror elektron konfiguratsiyaga ega. Bundan ham muhimroq, ijobiy va manfiy ionlar o'rtasidagi Kulon tortishishi tufayli energiya olishdir. Misol sifatida natriy xloridni (NaCl) ko'rib chiqing. Na atomidan tashqi (valentlik) elektronni yirtib tashlash uchun siz 5,14 eV (ionlanish energiyasi) sarflashingiz kerak. Bu elektron Cl atomiga biriktirilganda, 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'layotgan 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 elektron o'tishning umumiy energiyasini qoplaydi va shu kabi erkin atomlar tizimiga nisbatan ionlar tizimining umumiy energiyasini pasayishiga olib keladi. Bu ishqorli galogenid birikmalarining atomlardan emas, balki ionlardan iborat bo'lishining asosiy sababidir.

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

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 kristallning musbat va manfiy ionlari qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi.) Spektrning ko'rinadigan hududida. tebranish chastotalari massiv ionlarning bunday to'lqinlar ta'siriga javob berishga ulgurmasligi uchun 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'shnisi o'rtasida) hosil qilish uchun etarli. Shunday qilib, ikkita elektron aloqa hosil qiluvchi va atomlarni bog'laydigan chiziq bo'ylab kosmosda joylashgan ikkita atom tomonidan kollektivlashtiriladi. Bu H 2 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. Elektronning kristall bilan kovalent bog'lanish 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 kichikdir. 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 davriy tartibga solingan ion yadrolaridan iborat deb hisoblash mumkin, ular ion yadrolari orasida erkin harakatlanadigan o'tkazuvchan elektronlar gaziga botiriladi. 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.

Ushbu erkin elektronli metall modeli gidroksidi metallar uchun eng mos keladi va mis, kumush va oltin kabi olijanob metallar 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 ko'rsatilgan diagrammalarda ko'rsatilgan. 10. Yopiq qobiqli konfiguratsiyalarda kuchli bog'langan elektronlarga ega bo'lgan atomlar va ion yadrolari ochiq doiralar bilan ko'rsatilgan. Valentlik elektronlarining fazoviy taqsimoti faqat kovalent kristallar va metallar uchun ko'rsatilgan.

Aksariyat qattiq moddalar to'rtta "sof" bog'lanish turlari orasida oraliqdir. Masalan, sof ionli va sof kovalent kristallar orasida qattiq jismlarning uzluksiz qatori mavjud. Shuning uchun, bunday o'tkazuvchan bo'lmagan materiallarga qo'llanilganda, aloqalarning qisman ionli yoki qisman kovalent tabiati haqida gapiriladi. J. Fillips dielektrik xossalari va energiya bo'shliqlarining kengligidan kelib chiqqan holda turli xil birikmalar guruhlaridagi mavjud naqshlarni tavsiflash uchun ayniqsa muvaffaqiyatli yarim empirik yondashuvni taklif qildi.

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

Bu erda deyarli butunlay ionli NaCl birikmasidan sof kovalent kremniy kristaliga bosqichma-bosqich o'tishni ko'rish mumkin.

Vodorod bog'lari bo'lgan kristallar.

Kristallarning yuqoridagi tasnifi elektronlar tomonidan yaratilgan aloqalarga asoslanadi. Kimyoviy bog'lanishning yana bir turi vodorod ionlari (protonlar) tufayli yuzaga keladi. Proton ionning o'ziga xos turi: uning elektronlari umuman yo'q va shuning uchun u juda kichik o'lchamga ega. "Yalang'och" proton ikkita manfiy ionni, xususan ftor, kislorod va azotning manfiy ionlarini bir-biriga bog'lashga qodir. Masalan, vodorod diftorid ioni HF 2 - chiziqli tuzilishga ega F - H + F - o'zining barqarorligi ikkita manfiy ftor ionini bog'laydigan proton mavjudligiga bog'liq. Vodorod aloqalari molekulyar biologiyada (birinchi navbatda genetikada) muhim rol o'ynaydi, chunki ular DNK molekulalarining qo'sh spiral tuzilishining ikkita zanjirini ushlab turishda ishtirok etadilar. 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 darajasiga ega monokristallar shaklida. Har xil fizik yoki kimyoviy nuqsonlarning qattiq jismlarning xossalariga ta'sirini o'rganish uchun bunday nuqsonlar (nuqsonlar) qattiq jismga u yoki bu tarzda boshqariladigan tarzda kiritilishi kerak. Bunday holda, dastlabki 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 yordamida tozalash mumkin.

Kristallarni erituvchini eritmadan sekin bug'lash, eritmani sovutish yoki bug'larni kondensatsiya qilish yo'li bilan o'stirish mumkin. Kristallar Bridgman yoki Czochralski usuli yordamida eritmadan o'stiriladi. Czochralski usulini qo'llashda, vertikal sim yoki novda ustiga o'rnatilgan kichik urug'lik kristalli eritmaga botiriladi va undan keyin asta-sekin chiqariladi. Tegishli harorat va tortish tezligini nazorat qilish bilan, urug'lik kristalidan katta bitta kristall o'sishi mumkin. Bridgman usuliga ko'ra, eritma vertikal ravishda mahkamlangan, 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 jarayonida 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 bitta atomning diametridan oshmasligi mumkin) substratning kristall tuzilishi aniq takrorlanadi.

Ion kristalini uning metall komponenti yoki boshqa metall bug'larida qizdirish orqali unga ushbu metallning ortiqcha qismini kiritish mumkin. Ko'pgina hollarda, bunday doplangan kristallar atom darajasida kiritilgan aynan shu metall komponentlar tufayli yangi va qiziqarli xususiyatlarni namoyish etadi. Misol uchun, natriy xlorid natriy bug'ida qizdirilganda, kristal shaffofdan sariq-jigarrang bo'ladi; bu holda kristallda rang markazlari paydo bo'lganligi aytiladi. Ba'zi hollarda kristallni metall bug'larida qizdirish paytida unga kiritilgan metall atomlari dastlabki ion kristaliga o'rnatilgan kichik metall kristallariga ivishi mumkin.

Yuqori aniqlikdagi elektron mikroskop.

An'anaviy optik yoki yorug'lik mikroskopida ruxsat chegarasi ko'rinadigan yorug'likning nisbatan katta to'lqin uzunligi bilan belgilanadi. Bu shuni anglatadiki, uzunligi taxminan 5000 Å dan kam bo'lgan xususiyatlarni kuzatish mumkin emas. Elektron mikroskopda yorug'lik o'rniga to'lqin uzunligi taxminan 0,04 Å bo'lgan elektron nur ishlatiladi, bu hatto atom diametridan ham ancha kichikdir. Birinchi amaliy elektron mikroskop E. Ruska tomonidan yaratilgan (Berlin, 1933). O'shandan beri olimlar bitta atomni tasvirlashga intilishdi va oxir-oqibat elektron mikroskopiya ishonchli, yaxshi isbotlangan tadqiqot usuliga aylandi. Uning yordami bilan biologiya sohasidan ko'plab ma'lumotlarni (bakteriyalar, viruslar tuzilishi), shuningdek kristallarning tuzilishi haqidagi ma'lumotlarni olish mumkin edi. Elektron mikroskopiyaning texnik takomillashuvi bir nechta angstromlarning tartibini aniqlashga imkon berdi. Bu qattiq jismning birlik xujayrasi ichida metall atomlarining taqsimlanishining bevosita talqin qilinadigan tasvirlarini olish imkonini beradi. Ba'zi qiziqarli tadqiqotlar, masalan, universitetda o'tkazildi Arizona. Niobiy oksidlaridan biri (kimyoviy formula Nb 22 O 54) vodorod gazi atmosferasida qizdirilganda, asl materialga kiritilgan kimyoviy tarkibi Nb 12 O 29 bo'lgan modda hosil bo'ladi. Buni yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopda ko'rish mumkin. Dastlabki oksid Nb 22 O 54 oktaedrlardan tashkil topgan 3' 3 va 3' 4 bloklari qatorlarining muntazam ravishda almashinishi bilan tavsiflanadi, ularning markazida niobiy atomi va uchlarida - oltita kislorod atomi joylashgan. Shaklda. 11-rasmda ikkita bir xil qatorlar ketma-ket kelgan (3-4-bloklardan) rasmdagi strelkalar bilan belgilangan joylarda almashtirishning asl tartibi qanday buzilganligini ko'rsatadi. Bunday ikki o'lchovli nuqson qatlamlari (Vadsli nuqsonlari deb ataladi) naqsh tekisligiga perpendikulyar kristall bo'ylab o'tadi. 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 asosan noqulaylik tug'diradi. Biroq, kristall sirt ko'plab fizikaviy va kimyoviy hodisalarda muhim rol o'ynaydi, masalan, turli yarim o'tkazgichlar va mikroelektron qurilmalarning ishlashi uchun, shuningdek, kimyoviy korroziya va geterogen 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 difraksiyasi, atom yoki ionlarning tarqalishi tajribalarini qo‘llash orqali sezilarli yutuqlarga erishildi. Dala-ion projektori 1955 yilda Sankt-Peterburg universitetida E. Myuller tomonidan yaratilgan. Pensilvaniya. Ushbu qurilma, masalan, alohida atom pozitsiyalarining to'g'ridan-to'g'ri tasvirini olish imkonini berdi.

Metall ko'zoynaklar.

Qattiq jismlar fizikasidagi qiziqarli voqea metall oynalar deb ataladigan yangi turdagi materialning kashf etilishi edi. Shishasimon moddalar atomlarining joylashishida ma'lum bir qisqa masofali tartib topiladi (suyuqlikdagi kabi), lekin kristallning uzoq masofali tartibi unda yo'q. Metalllar odatda suyuq holatdan sovutilganda tez kristallanadi. Hozirgi vaqtda juda tez sovutishni amalga oshirish mumkin (1 sekundda 10 5 - 10 6 kelvingacha bo'lgan tezlikda), bu atomlarning tasodifiy joylashishi bilan shishasimon metallni beradi. Bunday metall ko'zoynaklar o'zlarining g'ayrioddiy va ba'zan noyob jismoniy xususiyatlari bilan qiziq. Xususan, ular juda qattiq, kuchli va egiluvchan, ya'ni. silikat oynalaridan farqli o'laroq, mo'rt emas. Ular elektr tokini yaxshi o'tkazadilar; ularning o'tkazuvchanligi odatda elektrotexnikada ishlatiladigan qotishmalar bilan solishtirish mumkin; shuning uchun metall ko'zoynaklar rezistorlar, qarshilik termometrlari, past haroratli isitish elementlari va boshqalar uchun yaxshi materialdir. Metall oynalarning magnit xususiyatlariga katta e'tibor berildi. Ma'lum bo'lishicha, ferromagnit oynalar juda zaif tashqi magnit maydonlar ta'sirida magnitlanishi va magnitsizlanishi mumkin. Bu va mexanik kuch tufayli magnit ko'zoynaklar transformatorlarda, magnit kuchaytirgichlarda, shuningdek, ovoz yozish boshlarida foydalanish uchun javob beradi.

Ushbu tadqiqot usuli fotoelektrik effektga asoslangan - modda rentgen nurlarini o'zlashtiradi va elektronlar chiqaradi. Rentgen nurlari yuqori chastotali elektromagnit to'lqinlardir. Kvant nazariyasiga ko'ra, ular moddada faqat qat'iy belgilangan qismlarda - kvantlar yoki fotonlar deb ataladigan qismlarda so'rilishi mumkin. Fotoelektrik jarayonda fotonning energiyasi to'liq elektronga o'tadi. Ushbu energiyaning bir qismi (ish funktsiyasi deb ataladi) qattiq jismdan elektronni tortib olishga sarflanadi, qolgan qismi esa chiqarilgan elektronning kinetik energiyasiga kiradi. XPS usulida chiqarilgan elektronlarning kinetik energiyasining taqsimlanishi qayd etiladi. Qattiq jismdagi elektronlarning bog'lanish energiya spektrini hisoblash uchun foydalaniladi - bu materialning muhim xususiyatlaridan biridir.

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., Lifshitz E.M. Kvazizarralar. Kvant qattiq jismlar fizikasining g'oyalari va tamoyillari. M., 1989 yil

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

Polimerlar moddalarning maxsus sinfidir, ular tashqi ko'rinishida qattiq moddalarga o'xshash ham mumkin.

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

Tabiiy polimerlarga tabiiy kauchuk, tsellyuloza, oqsillar va tabiiy qatronlar kiradi. Sintetik polimerlarga polistirol, polietilen, poliesterlarni misol qilib keltirish mumkin.

Haqiqatan ham qattiq jismlar - bu kristallar, ularning xarakterli xususiyatlaridan biri ularning tashqi ko'rinishining to'g'riligi.

Faqat qor parchalari shaklining mukammalligiga hayron bo'lish va ularning go'zalligiga qoyil qolish kerak.

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 doimiy bo'lgan tekis yuzli va ular orasidagi burchakli ko'pburchaklardir.

Turli moddalar kristallarining shakli bir xil emas. Ammo bir xil moddaning kristallari turli xil rangda bo'lishi mumkin. Masalan, kvarts kristallari rangsiz, oltin, pushti, och lilakdir. Rangiga qarab, ularga turli nomlar beriladi. Kvarts kristallarini, masalan, tosh kristalli, tutunli tosh kristalli, ametist deb atash 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 ichki tuzilishi bilan belgilanadi. Ushbu bayonotning juda yorqin 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, juda katta, ba'zan juda muntazam shaklga ega bo'lgan monokristallarni hosil qilishi mumkin.

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

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

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

Agar katta muz bo'lagidan ikkita bir xil novda o'zaro perpendikulyar yo'nalishda kesilsa, ikkita tayanchga o'rnatilsa va yuklansa, barlar boshqacha harakat qiladi. Ortib borayotgan yuk bilan bir bar asta-sekin egiladi. Ikkinchisi ma'lum bir yuk qiymatiga qadar shaklini saqlab qoladi va keyin buziladi.

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

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

Shu paytgacha biz jismlarning vaqtga qarab harakatlanishini bu harakatlarni keltirib chiqaruvchi sabablarni aniqlamagan holda ko‘rib chiqdik. Dinamika qonunlari jismlarning harakati bilan u yoki bu harakatni keltirib chiqargan yoki o'zgartirgan sabablar o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatadi.

Moddiy nuqtaning tarjima harakatini ko'rib chiqaylik, buning uchun biz dinamik xususiyatlarni kiritamiz, ularning yordami bilan biz bunday harakatni tasvirlaymiz. Bu xususiyatlar kontseptsiyani o'z ichiga oladi kuch, massa, impuls. Keling, jismlarning sanoq sistemalaridagi harakatlaridan boshlaylik inertial, va ta'rifi keyinroq beriladi.

1. Har qanday jismning inertial sanoq sistemasidagi harakati faqat boshqa jismlar bilan oʻzaro taʼsirlashganda yuzaga keladi yoki oʻzgaradi. Jismlarning o'zaro ta'sirini 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 o'zaro ta'sirlarning barcha turlari uchun ularning miqdoriy o'lchovi yagona tarzda tanlanishi kerak. Turli xil 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 qiladigan jismlar (ishqalanish kuchi, tayanch reaktsiya kuchi va boshqalar) o'rtasida ham, uzoq jismlar o'rtasida ham amalga oshirilishi mumkin.

Materiyaning zarrachalarini yagona tizimlarga bog'laydigan va ba'zi zarralarning ta'sirini cheklangan tezlik bilan boshqalarga uzatuvchi materiyaning maxsus shakli fizik maydon yoki oddiygina maydon deb ataladi..

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

Kuchning mexanik ta'siri tananing tezlashishi yoki deformatsiyasiga olib kelishi mumkin. Kuch ikki jismning o'zaro ta'siri natijasidir. Tanaga ta'sir qiluvchi kuchlarni to'g'ri aniqlash uchun siz ko'plab misollar keltiradigan adabiyotlardan foydalanishingiz mumkin.

Quvvat F- vektor - agar uning moduli (qiymati), fazodagi yo'nalishi va qo'llash nuqtasi berilgan bo'lsa, to'liq aniqlanadi. Vektor yo'naltirilgan chiziq F, deyiladi kuch chizig'i.

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

Moddiy nuqtaga bir vaqtning o'zida ta'sir qilish Bir nechta kuchlar bilan 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. O'rganilayotgan mexanik tizimga kirmaydigan jismlar 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 tashqi kuchlar yo'q, deyiladi izolyatsiya qilingan yoki yopiq.

2. Dinamikadagi asosiy tushuncha massa tushunchasi m, hatto kinematikada aytilmagan, 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. tanani boshqa jismlarga, xususan, Yerga tortadigan kuchlar.

Massa tananing inertial xususiyatlarini tavsiflaydi, ya'ni. tananing dam olish holatini yoki bir xil to'g'ri chiziqli harakatini saqlab turish yoki tezlikni o'zgartirish qobiliyati.

Jismning massasi m ma'lum tanadagi moddaning miqdorini aniqlaydi va r moddaning zichligi va tananing V hajmining mahsulotiga teng:

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

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 uchun o'zgarishsiz qoladi ( massa saqlanish qonuni).

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

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

3. Moddiy nuqtaning impulsi uning massasi va tezligi ko'paytmasiga teng vektor kattalik deb ataladi P= m v.

Moddiy nuqtalar sistemasining impulsi sistemaning barcha moddiy nuqtalari impulslarining geometrik (vektor) yig'indisiga teng vektor deyiladi:

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

Massa tushunchasidan foydalanib, tizim tezligi butun sistemaning massasi va uning massa markazi tezligining mahsulotiga teng P= m v c.

Puls P- tezlik yo'nalishi bilan yo'nalishi bo'yicha mos keladigan vektor.

Puls jismoniy tizimning asosiy xususiyatlaridan biridir. 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 (elementar zarralar, atomlar va molekulalar darajasida), makrokosmosda (atrofimizdagi dunyo) va megadunyoda (sayyoralar, Koinot, Galaktika darajasida) amalga oshiriladi. Hozirgacha impulsning saqlanish qonuni buziladigan hodisalar aniqlanmagan.

Qattiq- bu shakl va hajmning barqarorligi bilan tavsiflangan moddaning yig'ilish 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, unda siz kristalning o'ziga xos "skeleti" ni olasiz. Kristalning bunday 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 tuzi 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 oddiy kristall panjaralar misollarini ko'rsatadi: 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, unda "yagona kristal" hosil bo'ladi - yagona kristall. Yagona kristallar muntazam simmetrik ko'pburchaklar shakliga ega. Ammo ular kamdan-kam hollarda bir necha santimetrga etadi. Yagona kristalllarga misollar qimmatbaho toshlar, Islandiya shpati (3-rasm), topaz (4-rasm).

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

Anizotropiya

Kristalning tuzilishidagi tartiblilik 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 chiziqlar o'tkaziladi ( 1, 2, 3, 4 ). Ko'rinib turibdiki, to'g'ri chiziqlar uzunligi birligida bir xil 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. Misol uchun, slyudaning bir bo'lagi yo'nalishlardan birida yupqa plitalarga osongina tabaqalanadi, lekin uni plitalarga perpendikulyar yo'nalishda sindirish ancha qiyinroq. Grafit kristali ham bir yo'nalishda oson tabaqalanadi. 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. Demak, olmos kristalli yorug‘likni unga tushayotgan nurlar yo‘nalishiga qarab turlicha sindiradi.

Yagona kristallar anizotrop, polikristallar izotrop.

Erish harorati

Kristal jismlar o'ziga xos erish nuqtasiga ega t pl, o'zgarmas doimiy bosimda erish paytida (8-rasm, egri 1 ).

Erish nuqtasi va tana haroratini bilgan holda, kristall jism qanday agregatsiya holatida bo'lishini har doim aniqlash mumkin: agar tana harorati erish nuqtasidan yuqori bo'lsa, u holda tana suyuq holatda, agar kamroq bo'lsa, suyuqlik holatida bo'ladi. qattiq holat.

Polimorfizm

Qattiq holatdagi deyarli barcha moddalar fizik xossalari bilan farq qiluvchi ikki yoki undan ortiq kristall navlarda (modifikatsiyalar) mavjud bo'lishi mumkin. Bu hodisa deyiladi polimorfizm. Shunday qilib, uglerod ikki xil - olmos va grafit: grafit yumshoq, olmos qattiq, grafit o'tkazgich, olmos dielektrik. Temirning 4 ta modifikatsiyasi, oltingugurtning 9 ta modifikatsiyasi va boshqalar mavjud. 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 atomlar - qo'shnilar qandaydir tartibda joylashgan. Ammo amorf jismlardagi kristallarga xos bo'lgan strukturaning bir xil elementining barcha yo'nalishlarida qat'iy yo'naltirish yo'q. 9-rasmda kvarts molekulalarining bir tekis joylashishi - kristall tana (a) va kvarts shishasi - amorf tana (b) ko'rsatilgan.

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 bir vaqtning o'zida qattiq jismlar kabi elastik xususiyatlarni namoyon qiladi va suyuqlik suyuqlik kabi. Amorf jism zaif ifodalangan 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 "tarqaladi". Mum huni shaklini oladi va undan "oqib" chiqa boshlaydi.

Past haroratlarda amorf jismlar o'z xususiyatlariga ko'ra qattiq jismlarga o'xshaydi. Ular deyarli suyuqlikka ega emas, lekin harorat ko'tarilgach, ular asta-sekin yumshaydi va ularning xususiyatlari suyuqliklarga ko'proq yaqinlashadi. Buning sababi shundaki, harorat ko'tarilishi bilan atomlarning bir pozitsiyadan ikkinchisiga sakrashi asta-sekin tez-tez bo'lib boradi. Amorf jismlar, kristall jismlardan farqli o'laroq, o'ziga xos erish nuqtasiga ega emas. Amorf holatdagi modda qizdirilganda asta-sekin yumshaydi va suyuqlikka o'tadi (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 tartibda 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 qattiq holatdan 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 asetatning kristallari ikkita erish nuqtasiga va shunga mos ravishda ikki xil suyuqlik holatiga ega ekanligiga e'tibor qaratdi - bulutli (145 ° C dan 179 ° C gacha) va shaffof (179 ° C dan yuqori). Biroq olimlar bu suyuqliklarning noodatiy xususiyatlariga unchalik ahamiyat bermagan. Uzoq vaqt davomida fiziklar va kimyogarlar, asosan, suyuq kristallarni tan olishmadi, chunki ularning mavjudligi moddalarning uchta holati: qattiq, suyuq va gazsimon nazariyani yo'q qildi.

Suyuq kristalli ilovalar

Suyuq kristallardan foydalanishning muhim usullaridan biri bu termografiya. Suyuq kristall moddaning tarkibini tanlab, turli 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 yordamida zararli kimyoviy birikmalarning bug'lari va inson salomatligi uchun xavfli gamma va ultrabinafsha nurlanish aniqlanadi. 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 uyali telefonlar, monitorlar va televizorlarda qo'llaniladi. Ular kichik qalinligi, kam quvvat iste'moli, yuqori piksellar soni va yorqinligiga ega.

Shuningdek qarang

Polimerlar

Ularning g'ayrioddiy xususiyatlariga ko'ra, qattiq moddalarning butun 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 monomerik birliklar soni polimerning nisbiy molekulyar og'irligini aniqlaydi, bu odatda juda katta - o'nlab va yuz minglab atom massa birliklari. Masalan, polietilenning nisbiy massasi 35000 amu, kauchukning massasi 400000 amu.

Polimerlarga ko'plab tabiiy birikmalar kiradi: oqsillar, nuklein kislotalar, polisaxaridlar, kauchuk va boshqa organik moddalar. Ko'p miqdordagi polimerlar sintetik yo'l bilan olinadi. Polimerlarning nomlari poli- prefiksi bilan 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, shoyi, paxtadan kiyim tikilgan. Tsellyuloza asosida plyonkalar, tolalar, bo'yoqlar va laklar va quyuqlashtiruvchi moddalar ishlab chiqariladi. Kino va fotografiyaning rivojlanishi faqat nitroselülozaning shaffof plyonkasi paydo bo'lishi tufayli mumkin edi. Polyester tola asosida lavsan yoki polietilentereftalat deb ataladigan gazlamalar ishlab chiqarish o'zlashtirildi. Polipropilen va nitron zamonaviy inson kiyim-kechak va sanoat faoliyati uchun foydalanadigan sintetik tolalardir.

Maxsus mexanik xususiyatlar

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

Shuningdek qarang

Adabiyot

1. Aksenovich L.A. O'rta maktabda fizika: nazariya. Vazifalar. Sinovlar: Proc. umumiy ta'lim muassasalari uchun nafaqa. muhitlar, ta'lim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 184-185,186-187.
2. Jilko V.V. Fizika: Proc. 11-sinf uchun nafaqa. umumiy ta'lim maktab rus tilidan lang. trening / V.V. Jilko, A.V.Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. asveta, 2002. - S. 265-269.

Dars maqsadlari:

1. Tabiat jismlari haqidagi bilimlarni umumlashtirish va tizimlashtirish hamda o‘quvchilarda jismlarning xossalari haqidagi bilimlarini shakllantirish.
2. Xotirani, fikrlashni rivojlantirish.

Vazifalar:

1. Tabiiy va sun'iy jismlarni, jismlarning turli shakllarini farqlay olishga o'rgatish.
2. Elektron tarozi yordamida tana vaznini qanday o'lchashni bilib oling.

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

Darslar davomida

I. Tashkiliy bosqich:

a) o‘zaro salomlashish;

b) yo'q degan belgi;

Kirish.

Salom bolalar. Oldingi darslarda biz tabiat haqida gapirgan edik, bugun esa u haqida suhbatni davom ettiramiz.

Savol: Tabiat nima ekanligini eslaysizmi?

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

Ajablanarli xususiyat har doim insonga xos bo'lgan - qiziquvchanlik, atrofdagi dunyoni bilishga, uni o'rganishga, unda sodir bo'layotgan hodisalarning mohiyatini tushunishga intilish. 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 jismlar bilan sodir bo'lgan 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 xulosalar chiqaradi. Unda maxsus so'zlar - atamalar qo'llaniladi. "Termin" nima?

Termin - ma'lum bir tushunchani aniq ifodalovchi so'z yoki so'zlar birikmasi. (Terminning ta'rifi varaqalarda yozilgan).(1-ilova, slayd № 2).

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

Javob: Atrofimizda stol, stullar, kitoblar, bolalar va boshqalar bor.

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.

Ozhegovning lug'atida shunday ma'no bor: "Tana - tashqi va jismoniy shakldagi odam yoki hayvonning tanasi". Ammo bu so'z boshqa ma'noga ega.

Tanalar bizni o'rab turgan barcha ob'ektlardir.

II. Yangi materialni o'rganish.

Tabiat juda xilma-xil jismlardan iborat. Bugun darsda biz jismlarni o'rganishni davom ettiramiz.

Darsimizning maqsadi- jismlar qanday xususiyatlarga ega ekanligini aniqlang? Jismlarning xususiyatlari qanday?

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

Tabiatning son-sanoqsiz va xilma-xil jismlari orasida jismlar borligini bilasiz tabiiy , ular tabiat tomonidan yaratilgan va hali ham inson tomonidan yaratilgan jismlar mavjud. 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 ikki guruhga bo'lingan?

Javob: Jismlar tirik va jonsizlarga bo'linadi.

Savol: Tabiatning tirik va jonsiz jismlariga misollar keltiring.

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

Jismlarning birinchi xossasi tirik - jonsizlarga bo'linishdir.

Doskaga dars mavzusi yoziladi, keyin magnit yordamida jismlarning xossalari yozilgan varaqalar biriktiramiz (slayd No3).

Stol ustida:

Jumboqlarni taxmin qilish orqali jismlarning boshqa xususiyatlarini aniqlashga harakat qilamiz (4-slayd).

Boshqotirmalar.

1. Mo''jiza Yudo - gigant
   Orqa tomonda favvora bor.
   (kit)
2. qora yeryong'oq
   O'sishda emas, yukni tortadi.
   (chumoli)

Savol: Bu topishmoqlarda tananing qaysi xususiyati aytilgani haqida qanday fikrdasiz?

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

Hajmi - ob'ektning o'lchami, hodisaning ko'lami (slayd raqami 5).

Tana hajmi o'lchagich, santimetrli lenta yordamida topiladi. Demak, tananing ikkinchi xossasi o'lchamdir.

Stol ustida:

Endi boshqa topishmoqlarni tinglang (slayd raqami 6).

1. Pancake tirik suzadi -
   Uning dumi va boshi bor.
   (qalqonbaliq)
2. shar, oltin
   Daryo ustida to'xtadi
   Suv ustida suzdi
   Va keyin ... u o'rmon orqasida g'oyib bo'ldi!
   (Quyosh)

Savol: Topishmoqlarda tananing yana qanday xususiyati tilga olinadi?

Javob: Tananing shakli haqida (slayd raqami 7).

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

Stol ustidagi narsalarga qarang. Bir tomonda geometrik shakllar, ikkinchisida - jismlar. Ular qanday shaklda? (Stolda futbol to'pi (to'p), granit (shaklsiz), qalam (silindr), bo'r quti (to'rtburchak parallelepiped), kitob (to'rtburchak parallelepiped), Rubik kubi (kubik), uchburchak Rubik. piramida (tetraedr), kolba (konus), yong'oq (olti burchakli prizma), gul (shaklsiz)).

Ba'zi jismlar to'g'ri geometrik shaklga ega, boshqalari tartibsiz shaklga ega ekanligiga e'tibor bering.

Bolalar, esingizdami, siz allaqachon to'g'ri geometrik shakldagi qanday jismlarni ko'rgansiz?

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

(Vraqalarda to'g'ri geometrik shaklga ega va noto'g'ri jismlarga misollar yozing).

Stol ustida:

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

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

Jismlarning to'rtinchi xususiyati bu rang.

Stol ustida:

Hajmi, shakli, tana rangidan tashqari, ular 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 farq bor.

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

Javob: Ular vaznda farqlanadi.

To'g'ri, har bir tananing massasi bor. Massa qanday birliklarda o'lchanganini bilasizmi? Massa birligi kilogrammdir. Kilogrammning xalqaro namunasi (standarti) Frantsiyada Sevr shahrida saqlanadi. Ushbu namunadan boshqa mamlakatlar uchun nusxalar katta aniqlik bilan qilingan. Massa birligi uchun (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 birlashmasligi uchun amalga oshiriladi. Aks holda, vaznning massasi sezilarli darajada oshishi mumkin.

Tarozilar har qanday jismning massasini o'lchash uchun ishlatiladi (slayd No 8).

Savol: Qanday tarozilarni bilasiz?

Javob: Mexanik, elektron.

Ekranga qarang (turli miqyosdagi fotosuratlar).

Bizda ham tarozilar bor. Ba'zilari elektron, boshqalari esa tutqich. Stolda elektron tarozilar bor. Ular faqat 200 grammgacha bo'lgan jismlarning massasini o'lchashlari mumkin. Moviy stendlar (qutilar) ko'pik va alyuminiy plitalardan iborat. Ushbu plitalarning massasini o'lchashingiz kerak bo'ladi. Buni amalga oshirish uchun siz tarozilarni qutidan olishingiz kerak, ularni stolga qo'ying, so'ngra qizil tugmani bosing va ikkita nol paydo bo'lguncha kuting. Keyin plitalarni birma-bir oling va ularning massasini o'lchang, natijalarni qog'ozga qo'ying. Keling, laboratoriya ishining maqsadini tuzamiz: ko'pik va alyuminiy plitalarning massasini aniqlash va qaysi tananing og'irligi ko'proq ekanligi haqida xulosa chiqarish. Ishni bajaring va keyin olingan ma'lumotlarni jadvalga kiriting, xulosa chiqaring.

Keyingi darsda biz jismlarning massasini muvozanat shkalasi yordamida qanday o'lchashni o'rganamiz.

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

Javob: Biz jismlarning tirik va jonsiz, tabiiy va sun'iy ekanligini, turli shakl, rang, o'lcham va massaga 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 kasal bo'lib shifokorga tashrif buyurganimizda, 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 Tselsiy nomi bilan atalgan).

Selsiy, harorat shkalasi, unda 1 daraja (1 ° C) atmosfera bosimida qaynoq suv va erish muz harorati o'rtasidagi farqning 1/100 ga teng, muzning erish nuqtasi 0 ° C, qaynash nuqtasi suv 100 °C sifatida olinadi. 1742 yilda A. Tselsiy tomonidan taklif qilingan.

Inson tanasi va boshqa jismlar qanday haroratga ega. Masalan, muz parchasining harorati qanday? Nol daraja yoki kamroq. Inson tanasining 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 tananing to'liq ta'rifini berishimiz mumkin (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. "Vasiliy go'zal" badiiy matni bilan ishlash .

Bolalarning vazifasi mushuk Vasiliyning belgilarini jismoniy tana sifatida ta'kidlashdir (matn varaqlarda yozilgan).

Mushuk Vasiliy (qarindoshlari va do'stlari uchun oddiygina Vasyanya) juda yaxshi ovqatlangan va Cheops piramidasi shaklida o'tirgan bo'lsa, va asal bochkasi, turgan bo'lsa. Burunning uchidan dumning uchigacha shunday edi 92 sm. Uning yo'l-yo'l orqasi silliq aylandi to'q sariq-sariq qorin.

Vasiliy mehribon, sabrli, mehribon, toza, ko'nglini ko'tarish va egasining farovonligini yaxshilashga qodir edi. U faqat bir marta sichqonchani tutgani bilan mashhur edi. Ammo og'irlik uning ustidan chiqqanida 7 kg uchun, undagi ovchilik instinktlari abadiy uxlab qoldi va uning uchun egasining bag'rida mizg'ib olishdan ko'ra yaxshiroq mashg'ulot yo'q edi. Qo'llarida uxlayotgan mushukdan shunday iliqlik paydo bo'ladi va shunday noziklik tug'iladi. Chunki oddiy mushuk harorat +38-39,5 ° S.

IV. Darsni baholash.

V. Uyga vazifa.§ 11 (tanalarning shakli va o'lchamlari bo'yicha turli xil albom varaqlariga chizing yoki jismlar haqida jumboqlarni o'ylab toping, varaqalar yordamida ish daftarini to'ldiring.)