А., Абуова Ф. У. Конденсирленген күй физикасы астана 2011
Идеал кристалдардың геометриясы
жүктеу/скачать 17 Mb.
|
Пособие по ФКС каз.окон
- Бұл бет үшін навигация:
- 2. Бөлім. Топтар теориясы
- 3. Бөлім. Қарапайым кристалдық құрылымдар
- 4. Бөлім. Кері тор. Кері тордың қасиеттері. Бриллюэн зонасы
- 5. Бөлім. Толқындардың конденсирленген ортамен әсерлесуі
- 6. Бөлім. Кристалдардағы ақаулар
- 7. Бөлім. Байланыс типі бойынша қатты денелердің классификациясы
- 8. Бөлім. Қатты денелердің жылулық қасиеттері. Кристалдық тордың тербелісі
- 9. Бөлім. Қатты денелердің электрлік қасиеттері
- 10.Бөлім. Қатты денелердің механикалық, оптикалық және магниттік қасиеттері
- 11.Бөлім. Кристалл емес қатты денелер.Сұйықтар. Сұйық кристаллдар 11.1 Заттардың аморф күйі 140 11.2. Аморф заттардың қасиеттері 141
- 12. Бөлім. Наноматериалдар
- Глоссарий 163 Әдебиеттер тізімі
- Конденсирленген күй физикасына кіріспе
Конденсирленген күй физикасына кіріспе Атомдық-молекулалық деңгейде зат газ, сұйық және қатты дене күйінде бола алады. Конденсирленген күй физикасы: 1) конденсирленген фазаның атомдары немесе молекулалары бір біріне жақын орналасады және күшті әсерлеседі және 2) осы конденсирленген фаза қоршаған ортадан «конденсирленген материя-вакуум» беттері арқылы нақты ажыратылған болады. Осылайша, конденсирленген күй физикасы заттың газ күйін қарастырмайды. Конденсирленген зат атомдары мен молекулалар екі түрлі: тербелмелі – атомдар мен молекулалар қандай да бір тепе-теңдік күйінің төңірегінде тербеледі, осы тербелістің амплитудасы, атомдар немесе молекулалар арасындағы қашықтықпен (d) салыстырғанда аз болады; трансляциялық – нақты жағдайда жеке атомдар мен молекулалар жүйенің ішінде олардың өзара ара қашықтығымен (d) салыстырғанда үлкен қашықтыққа дейін орын ауыстыра алатын қозғалысқа қатысады. Тербелмелі қозғалыстың сипаттамалық уақыты ~10-13 -10-12с, ал қатты дене бойынша бөлшектің көшу процесіне тән сипаттамалық уақыт ~103 -104с (яғни сағат бойы барлығы қозғалыссыз болады). Уақыт шкаласында және бір-бірінен қатты ерекшеленеді. Тек қатты денені қандай да бір 1000-3000К температураға дейін қыздырған кезде, яғни қатты дене балқығанда секунд үлестерімен өлшенеді, бірақ бәрібір және бір-бірінен миллион есе ерекшелінеді және уақыт бойынша процестер шатастырылмайды. Заттың екі агрегаттық күйі – сұйық және қатты дене (олар конденсирленген күйлер деп аталады) – күшті әсерлесетін бөлшектерден тұрады. Осындай денелердегі атомаралық қашықтық тартылыс және тебіліс күштері теңесетіндей болып орнайды. Сондықтан конденсирленген заттар өз көлемінің өзгеруіне үлкен кедергі жасайды. Осылардың ішінде мұнымен қоса өз пішінінің өзгерісіне үлкен кедергі жасайтындары қатты денелер деп аталады. Қатты дене мен сұйықтың арасындағы шекара қатаң түрде анықталмаған. Сұйыққа қатты денелер (көлемін сақтайды, бет түзеді, айырылып кетуге қарсы қандай да бір мықтылығы бар) мен газдардың (ыдыс көлемін ала алатын) кейбір қасиеттері тән, алайда тек сұйықтардың өзіне тән қасиеттері де бар, олардың ішіндегі маңыздысы – аққыштық. Көп жылдар бойы конденсирленген күй физикасының нысандары ретінде бөлшектері жоғары тәртіппен орналасқан құрылымы бар кристалдық қатты денелер алынды. Идеал кристалдар - атомдары немесе иондары қатаң тәртіппен орналасқан үш өлшемді жүйе болып табылады. Әрине, кристалды құрайтын бөлшектердің ретпен орналасу әдісі сан түрлі. Үш кеңістікті өстер (а1, а2, а3) бойынша қайталанатын атомдар арасындағы қашықтықтардың бірдей немесе әр түрлі болуына, сонымен қоса периодты атомдар тізбегінің арасындағы бұрыштарға (α, β, γ) байланысты кристалдар симметриясы және беттік шектері бойынша ерекшеленеді. Бұл курста біз қарапайым кубты симметриялы кристалдардың бірнеше кластарын: 1) сыртқы электрондық қабықшалары толықтай толтырылған атомдардан –Ne, Ar, Kr, Xe құралған молекулалық кристалдарды және 2) сыртқы электрондық қабықшалары толтырылған оң иондар (катиондар) мен теріс иондардан (аниондар) құрылған ионды кристалдарды қарастырамыз. Мысалы, KCl≡K+ Cl−, MgO≡Mg2+O2−, CaF2≡Ca2+(F−F−). Идеал молекулалық және ионды кристалдардың құрылымдары қарапайым және өте жақсы зерттелген. Осындай жүйелерде біз идеал құрылымның негізгі ауытқуларын нүктелік, сызықтық және беттік ақаулар деп аталатын- идеал периодты құрылымнан ауытқуларды қарастырамыз. Идеал және нақты (ақауларымен) қарапайым моноатомды немесе бинарлық кристалдардың құрылымы қарапайым және көрнекі, сондықтан осындай кристалдарды зерттеу ұзақ уақыт бойы қатты дене физикасының негізгі мәселесі болып табылған. Техниканың дамуы үш немесе одан да көп элементтерден тұратын күрделі кристалдық жүйелерді зерттеуді талап етті. Мысалы, СаSiO4 қарапайым катиондардан – Са2+ ионынан және молекулалық құрылымы бар аниондардан – (SiO4)2- тұрады: кішкентай ион Si (кремний) төбелерінде оттегі орналасқан тетраэдр ортасында орналасқан. Катиондар мен молекулалық аниондар арасындағы байланыс ионды (анион мен катион арасындағы кулондық тартылыс күшіне негізделген) байланыс, ал молекулалық анион ішіндегі бөлшектер арасындағы байланыс ковалентті болады. Тетраэдрлік аниондардың орналасуы кристалдарда әр түрлі және әр түрлі бағыттарда қасиеттері айтарлықтай ерекшеленетін әр түрлі анизатропты кристалдарды құрудың, мүмкіншіліктері бар. Біршама үлкен молекулалардан құралған таза молекулалық кристалдар да бар. Осындай кристалдарда әрбір молекула жуық түрде газ фазасындағы бір молекулаларға тән қасиеттерін сақтайды, әйткенмен әлсіз байланыстармен байланысқан реттелген кристалдағы көптеген молекулалар үшін арнайы топтық қасиеттер байқалады (антрацен, нафталин – бензолды сақиналардан тұрады). Конденсирленген күйді зерттеу ұзақ уақыт бойы бастапқыда қарапайым, кейінірек күрделі идеал кристалдарды зерттеуге бағытталған болатын. Заманауи техника келесі күрделі деңгейге өтуді қажет етті. Кристалдардың өсірілуі (идеал ғана емес нақты кристалдарды да) – бұл қымбат әрі күрделі процесс. Осы күнге дейін, негізінде өлшемі сантиметрмен, ал кейде ондаған сантиметрмен шектелген біршама кіші кристалдар сәтті түрде өсіріліп жатыр. Техникада көбінесе метрмен өлшенетін бұйымдар қажет болып жатады. Сондықтан жүйенің барлық көлемі бойынша аздаған ретсіздікке ие, қатты денелі жүйелерді зерттеуге деген қызығушылық күрт артты. Осында жүйелерге шыныларды жатқызуға болады. Шыны жоғары температурада балқытылған заттың суытылған пішінге ағылуы кезінде алынады. Мысалы кварц кристалын SiO2 алайық, ол жоғары температурада балқытылып, кейін бірден тез суытылады. Осы кезде SiO2 кристалдарына тән бөлшектердің ретпен орналасуы толықтай дерлік қалпына келмейді. Шынылардың микроқұрылымының әбден зерттелуі: кристалдың l>>d қашықтықта орналасқан екі нүктесіндегі тәртіп пен құрылымы бірдей болған жағдайда шыны кристалға тән алыс реттілікті жоғалтатындығын көрсетті. Шыны тәріздес SiO2 үшін бір бірінен аз қашықтықта орналасқан нүктелер үшін бөлшектердің орналасуы сақталады. Шыны тәріздес күй жақын реттіліктің сақталуымен жуық және алыс реттіліктің болмауымен сипатталады делінеді.Сәйкесінше, шынының кейбір қасиеттері (кристалмен салыстырғанда) әлсіз өзгереді, ал кейбір алыс реттілікті қажет ететін қасиеттері тұтастай өзгереді. Ескі әдебиеттерде шыныларды жақын реттілікке ие жүйе ретінде талқылаған. Алайда кейінгі зерттеу жұмыстары көрсеткендей шыныда жақын реттіліктің өзі жуық түрде сақталады. Барлық Т кезінде, тіптен Т=0К болғанның өзінде де кристалды құратын бөлшектер қозғалыссыз жағдайда болмайды, олар аз (d – мен салыстырғанда) тербелістер жасайды. Сондықтан кристалдарда қатаң түрде ретті және периодты түрде оларға қатысты атомдар өз тербелістерін жасайтын кристалды тордың түйіндері – тепе теңдік нүктелері ғана орналасады. Ал шыныда, маңында атомдар тербелетін түйіндердің орналасуы кристалдардың жақын орналасқан аймағының аз ерекшелінеді. Барлық шыныда тепе теңдік күйінің шашырауы орын алады, ол жақын қашықтықтарда d – мен салыстырғанда аз және алыс қашықтықта едәуір көп болады. Дегенмен, шынылардағы жақын реттіліктен ауытқуларды нүктелік немесе сызықтық ақау деп талқылауға болмайды, ол шынының іргелі қасиеті. Конденсирленген күй физикасы кристалдық қатты денелерді электрлік қасиетіне байланысты: диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және өткізгіштер деп бөліп қарастырады. Осындай түрлердегі қатты денелердің айырмашылығы 70 жылдан астам бұрын, кванттық механиканың негізінде, қатты денелердің зоналық теориясын жасай отырып талқыланған. жүктеу/скачать 17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||