Właściwości Ciał Stałych I Cieczy

CIAŁO STAŁE- ciało wyróżniające się uporząd-kowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego mo-delu przestrzennego, zw. komórką elementarną krysz-tału. Do początków XX w. za ciała stałe uważano wszystkie substancje wykazujące sprężystość postaci (tzn. zdol-ność powracania do pierwotnych wymiarów i kształtu po przerwaniu działania sił odkształcających); właści-wość tę mają także takie ciała, jak szkliwa i polimery, zaliczane dawniej do ciał stałych, chociaż w strukturze ich brak uporządkowania przestrzennego; obecnie ciała te uważane są za przechłodzone ciecze ( bezpostacio-we ciała). Badania wykazały, że własności (mech., op-tyczne, elektr., magnet. i in.) ciał stałych zależą od rodzaju ato-mów wchodzących w skład c.s., ich rozmieszczenia (a więc wewn. budowy c.s.) i wzajemnego oddziaływania. Poznanie tych zależności ma ogromne znaczenie teore-tyczne i praktyczne; zajmuje się tym jedna z najmłod-szych dziedzin fizyki — fizyka ciał stałych.
Atomy (lub cząsteczki) c.s. tworzą sieć krystaliczną, tzn. zajmują one określone położenia w przestrzeni od-powiadające stanom równowagi, w których utrzymywa-ne są siłami wzajemnego oddziaływania; siły te są iden-tyczne z siłami wiązań chemicznych, wynikającymi z budowy powłok elektronowych atomów lub cząsteczek tworzących c.s. Zależnie od rodzaju wiązań chemicznych w sie-ci krystalicznej rozróżnia się następujące rodzaje kryszta-łów: o wiązaniach jonowych, wiązaniach walencyjnych Van der Waalsa, metalicznych i wiązaniach mieszanych. Wzajemne oddziaływanie atomów oraz ich prawidłowe rozmieszczenie w sieci krystalicznej decyduje o tzw. wła-snościach kolektywnych c.s., będących rezultatem su-mowania się efektów pochodzących od poszczególnych atomów (np. ferromagnetyzm, własności ferroelektr. niektórych dielektryków, nadprzewodnictwo elektr. me-tali i stopów w niskich temp.). Z anizotropią sieci kry-stalicznej związana jest anizotropia wielu własności fiz. (np. sprężystości, załamania światła). Siły wzajemnego oddziaływania powodują osłabienie wiązania między elektronami zewnętrznych powłok a resztą atomu. W pewnych przypadkach osłabienie takie może spowo-dować uwolnienie elektronów z ich powłok i wytwo-rzyć pewną liczbę swobodnych elektronów, wspólną dla wszystkich atomów (tzw. kolektywizacja elektro-nów).
Atomy (cząsteczki) drgają nieustannie wokół swych położeń równowagi; energia ruchu drgającego wzrasta ze wzrostem temperatury i w temp. topn. staje się więk-sza od energii wiązania sieci; porządek sieci zostaje zburzony i ciało przechodzi w stan ciekły. Drgania sieci krystalicznej wpływają m.in. na przewodnictwo elektryczne, gdyż z jednej strony ułatwiają oderwanie się elektronów walencyjnych z drugiej — utrudniają ruch swobodnych elektronów.
Struktura rzeczywistego kryształu nigdy nie jest do-skonała; w sieci istnieją tzw. defekty, np.: a) puste węzły, czyli luki nie obsadzone przez atomy, b) atomy umiej-scowione w międzywęzłach c) niewielkie domieszki ato-mów obcych, d) dyslokacje. Niedoskonałości sieci wpły-wają na wiele własności c.s. Szczególnie ważne są dyslo-kacje. Polegają one na przesunięciu części sieci w sto-sunku do reszty, przy czym spójność sieci jest zacho-wana, a ciągłość jej zaburzona. Rozróżnia się 2 typy dys-lokacji: krawędziową i śrubową. Dyslokacje mogą się przemieszczać wewnątrz kryształu pod wpływem mech. naprężeń. Z zagadnieniem dyslokacji wiąże się teoria wzrostu kryształów ( krystalizacja). Jeśli w zarodku kryształu jest dyslokacja śrubowa, to zawsze istnieje „uskok” płaszczyzny sieciowej, który ułatwia szybki wzrost kryształu; na gładkiej płaszczyźnie sieciowej wzrost jest wolniejszy. Nowsze badania wykazały, że dyslokacje istnieją w każdym krysztale. Udało się sztucz-nie otrzymać niemal doskonałe monokryształy w kształ-cie włosów, tzw. kryształy nitkowe lub włókniste, grubości rzędu 10-4 cm, wykazu-jące nie spotykane normalnie własności; np. kryształy nitkowe cyny mają 1000 razy większą wytrzymałość niż zwykła cyna.
Podstawowa cecha mech., polegająca na właściwości zachowywania swojego kształtu, czyni z c.s. niezastą-piony materiał w technice. Spowodowaną działaniem sił zewnętrznych deformację c.s. przekazują za pośred-nictwem wiązań sieci jedne atomy następnym; wobec tego sieć kryształu, przeciwstawiając się działaniu sił zewn. sprawia, że c.s. wykazują sprężystość. C.s. spotykane zwykle jako materiały konstrukcyjne nie są jednorodne, lecz składają się z drobnych monokryszta-łów; im drobniejsze są monokryształy, tym większa na ogół twardość, a mniejsza plastyczność materiału. Mo-nokryształy różnią się własnościami mech. od ciał, które tworzą (mają np. niższą granicę sprężystości).
Atom w sieci krystalicznej, drgając wokół swego po-łożenia równowagi, narusza równowagę sąsiednich ato-mów. W rezultacie drgania rozciągają się na całą sieć i mogą być traktowane jako fale sprężyste. Częstotli-wość drgań nie jest jednakowa, lecz ma pewne widmo od vmax (odpowiadającego częstotliwości promienio-wania podczerwonego) do v=0. Do fal sprężystych w c.s. stosuje się teorię kwantów; kwantami fal spręży-stych są cząstki o energii E=Ar; przez analogię z foto-nami rozpatruje się je jako quasi-cząstki — fonony (na-zwa pochodzi od gr. Phonema „głos” gdyż prędkość roz-chodzenia się fal sprężystych jest w przybliżeniu taka sama jak fal akustycznych). Znając statystyczny roz-kład widma częstotliwości można obliczyć zależność ciepła molowego od temp. T, zgodną z danymi doświad-czalnymi, wg których w niskich temp. (gdy r w 0K dąży do zera) ciepło właściwe dąży do zera proporcjonalnie do T3. Zależność ta pozwoliła również określać współ-czynniki rozszerzalności cieplnej c.s. Wśród c.s. rozróż-nia się dobre i złe przewodniki ciepła. Przewodzenie cie-pła odbywa się przez dyfuzję fononów lub za pośrednic-twem elektronów (prędkości elektronów są znacznie większe niż prędkość rozchodzenia się fononów). W większości c.s. w przewodzeniu ciepła biorą udział za-równo elektrony, jak i fonony, lecz nie w jednakowym stopniu (gdy przeważa mechanizm elektronowy, np. w metalach, ciało jest dobrym przewodnikiem).
Rezultatem selektywnego pochłaniania i odbicia światła padającego na c.s. jest jego barwa i połysk. Barwa c.s. zależy od rodzaju i rozmieszczenia atomów w c.s., a także od defektów sieci krystalicznej (luki w węzłach sieci, obce atomy), które są ośrodkami absorp-cji promieniowania. Zjawisko luminescencji powodują domieszki obcych metali w sieci krystalicznej.
Własności magnetyczne c.s. zależą głównie od konfigura-cji zarówno zewn., jak i wewn. powłok elektronowych atomów c.s. ( magnetyzm atomowy). Atomy są jakby elementarnymi magnesami; jeśli w polu magnet. ich momenty magnet. są różne od zera, to dążą do ustawie-nia się zgodnie z kierunkiem pola magnet. i c.s. ma wła-sności paramagnetyczne (paramagnetyzm) a jeśli atomy mają moment magnet. równy zeru, to pole mag-net. indukuje momenty skierowane przeciwnie i c.s. jest diamagnetyczne. Wśród c.s. zbudowanych z atomów paramagnetyków wyróżnia się nieliczna grupa kryszta-łów o własnościach antyferromagnetycznych i ferromagnetycznych; własności te (w odróżnieniu od diamagnetyzmu i paramagnetyzmu) są wyłącznie cechą kryształów i związane są ze sposo-bem uporządkowania atomów w sieci, polegającym na tym, że ich momenty magnet. ustawione są zgodnie-równolegle lub na przemian przeciwrównolegle (antyferromagnetyki). Stan jedna-kowego uporządkowania nie obejmuje całego kryształu lecz jego części, tzw. domeny magnetyczne.
Przewodnictwo elektr. w c.s. polega na ruchu nośni-ków ładunków elektr., np. elektronów; wartość prze-wodnictwa zależy więc od liczby tych nośników w c.s. Pod tym względem c.s. dzielą się na 3 grupy: przewod-niki (metale), półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperatu-rach bliskich 0K staje się ono bardzo duże (nadprze-wodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielek-tryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich pół-przewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektr. Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w me-talach liczba swobodnych elektronów jest b. duża; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa teoria metali. W 1930—40 powstała ogólniejsza, kwantowomech. teoria, tzw. teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektr. c.s.
W swobodnych atomach elektrony powłoki atomo-wej znajdują się w określonych stanach (poziomach) energetycznych opisywanych liczbami kwantowymi; stany te oddzielone są strefami energii wzbronionej. Zgodnie z Pauliego zasadą wykluczenia poszczególny stan mogą zajmować 2 elektrony o przeciwnie skiero-wanych spinach. Każdy elektron powłoki może być przeniesiony ze swego stanu podstawowego do stanu wyższej energii — stanu wzbudzonego (jeżeli stan ten jest nie obsadzony), np. w wyniku pochłonięcia kwantu energii. Ponieważ sieć składa się z identycznych, roz-mieszczonych w sposób periodyczny atomów, zakłada się, że nierozróżnalność atomów rozciąga się na elek-trony ich powłok. Wszystkie elektrony należą więc do całego kryształu, traktowanego jako jedna wielka czą-steczka. Oznacza to, że każdy dozwolony poziom ener-getyczny swobodnego atomu musi być teraz zastąpiony przez pasmo b. bliskich siebie dozwolonych poziomów energetycznych, gdyż elektrony dostarczone do wspól-noty przez poszczególne atomy nie mogą obsadzać tego samego stanu kwantowego. W krysztale zawierającym N atomów istnieje więc tyleż stanów w każdym dozwo-lonym paśmie energii. Pasmo obsadzone przez elek-trony walencyjne nosi nazwę pasma podstawowego
lub walencyjnego, najbliższe dozwolone pasmo puste — odpowiednik stanów wzbudzonych w atomach swobod-nych- nazywa się pasmem przewodnictwa. W temp. 0K elektrony obsadzają parami najniższe stany ener-gii w paśmie; jeżeli atomy mają po jednym elektronie walencyjnym (np. atomy metali alkalicznych), to pasmo podstawowe jest tylko w połowie wypełnione. Obecność nie obsadzonych stanów w tym paśmie umożliwia ruch elektronów wewnątrz pasma, a więc decyduje o prze-wodnictwie elektrycznym Liczba elektronów przewodzących prąd elektr. (tzw. elektronów przewodnictwa) jest tego samego rzędu co liczba atomów w sieci krystalicznej (tzn.1022 na cm3.Z nierozróżnalności elektronów w paśmie dozwolonej energii wynika, że się nie zmieni stan ener-getyczny kryształu, jeśli 2 elektrony zamienią swoje miej-sca i stany; stan wzbudzenia energetycznego w dowol-nym węźle sieci krystal. może się zatem przenosić na wszystkie równoważne węzły sieci; w ten sposób inter-pretuje się rozchodzenie się wzbudzeń optycznych i elektr. w krysztale. Gdy pasmo walencyjne i pasmo przewod-nictwa zachodzą na siebie, tzn. gdy nie oddziela ich strefa energii wzbronionej, c.s. jest przewodnikiem (np. metale). Jednak ruch elektronów nie odbywa się swo-bodnie; oporność elektr. spo-wodowana jest działaniem na elektrony pola elektrycz-nego jonów sieci krystal. oraz rozpraszaniem elektro-nów na fononach (gdy tem-peratura jest wyższa, zderze-nia z fononami są częstsze).
Półprzewodniki (samoist-ne) mają w temp. 0K pasmo walencyjne całkowicie obsa-dzone elektronami i są do-skonałymi izolatorami; sze-rokość strefy energii wzbronionej Eg wynosi ok. 0,1-2 eV. Minimalne wzbudzenie energetyczne równe Eg umożli-wia elektronom przenoszenie się do nie obsadzonego pasma przewodnictwa. W paśmie podstawowym w wy-niku przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa pojawiają się nie obsadzone stany energetyczne, co umoż-liwia wzbudzenie energetyczne pozostałych elektronów w paśmie podstawowym, a zatem— przewodnictwo także w tym paśmie. Wolny stan energetyczny w paśmie podstawowym, powstały przez przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa, jest tzw. dziurą, zachowującą się jak elementarny ładunek dodatni. Prąd elektr. w paśmie podstawowym jest więc przenoszony przez dziury i elektrony w paśmie prze-wodnictwa. Dziury i elektro-ny rekombinują między sobą; ustala się więc pewien stan równowagi, określony szyb-kością powstawania par dziura-elektron oraz ich re-kombinacji, w danej tem-peraturze T>0K. Równowadze tej odpowiada określona koncentracja dziur i elektronów, zależna m.in. od szerokości strefy wzbronionej. Pary dziur i elektronów mogą się także tworzyć pod wpływem absorpcji kwan-tów światła. Przewodnictwo elektr. Półprzewodników niesamoistnych zależy w dużym stopniu od koncentracji defektów oraz domieszek donorowych i akceptorowych.
Dielektryki mają pasmo podstawowe w temp. 0K w pełni obsadzone elektronami, szerokość strefy wzbro-nionej Eg jest tak znaczna, że odpowiada wzbudzeniu kwantami promieniowania nadfioletowego. W temp. pokojowej koncentracja swo-bodnych elektronów i dziur jest więc mała, czego rezulta-tem są własności izolacyjne. Absorpcja światła prowadzi często do wzbudzeń, zw. ekscytonami. Ekscyton — związana ze sobą para elek-tron i dziura, może wędro-wać w krysztale w wyniku rezonansu kwantomech. i powodować różnorodne efekty, np. luminescencję w wyniku rekombinacji na atomach domieszek.
Badania optycznych własności c.s. zapoczątkował 1669 E. Bartholin który zauważył dwójłomność szpatu isl. Opis kryształu opierano początkowo wyłącznie na symetrii ścian, a później, gdy zrozumiano, że symetria zewn. jest odbiciem uporządkowania atomów wewnątrz kryształu, podjęto badania metodami optycznymi. F.E. Neumann wyjaśnił 1833 zależność między zjawiskami optycznymi a symetrią kryształów. Stephen Gray (1670-.1736) stwierdził 1731, że istnieją ciała dobrze przewo-dzące i źle przewodzące elektryczność, a Franz Urlich Theodor Apinus (1724-1802) uzupełnił to twierdze-nie zakładając, że istnieją ciała o własnościach pośred-nich. Badania wpływu ośrodka na pole magnet. zapocząt-kował 1846 M. Faraday. Jednakże dopiero w końcu XIX w. fizycy zainteresowali się szerzej badaniem wła-ściwości c.s. Okres ten zapoczątkowały 1880 prace Pierrea i Paula Jacques'a Curie nad zjawiskiem piezoelektryczności (polegającym na powstaniu wewn. polaryza-cji elektr. w krysztale pod wpływem zewnętrznych na-prężeń mech.) oraz badania w dziedzinie magnetyzmu c.s. Osiągnięcia fizyki atomowej, a gł. odkrycie promie-ni rentgenowskich wpłynęło na burzliwy rozwój badań w dziedzinie fizyki c.s. W 1912 M. Laue a 1913 W.H. i W.L. Braggowie opracowali rentgenowskie metody ba-dania struktury atomowej ciał; pozwoliło to wyodręb-nić ciała bezpostaciowe spośród ciał występujących w stanie stałym. Dzięki rozwojowi fizyki statystycznej, a przede wszystkim powstaniu 1900 teorii kwantów, A. Einstein 1906 i P. Debye 1912 wyjaśnili własności ciepl-ne c.s. Dzięki zastosowaniu mechaniki kwantowej do teorii c.s. powstała 1930-40 teoria pasmowa (A.H. Wilson N.F. Mott, F. Bloch, L.Brillouin). Wyjaśnienie isto-ty defektów sieci krystal. i ich wpływu na własności c.s. zawdzięcza się m.in. J.J. Frenklynowi i W. Shottkyemu. Badania nad zastosowaniem półprzewodników uwień-czone zostały odkryciem tranzystora ostrzowego (J. Bardeen, W. Brattain 1949) i warstwowego (W. Shockley 1951).
Szczególne cechy elektronowe półprzewodników de-cydują o wciąż rozszerzających się badaniach ich wła-sności, o coraz liczniejszych zastosowaniach tech.; już dziś elektronika nie może się obejść bez takich urządzeń półprzewodnikowych, jak tranzystory, termistory, pro-stowniki, fotodiody, fototranzystory, diody tunelowe itp. Również własności dielektryków wykorzystuje się w nowoczesnej technice; np. tlenek glinu z niewielką domieszką chromu, czyli rubin (o rubinowej barwie mi-nerału decyduje domieszka chromu, który w sztucznie hodowanych kryształach jest odpowiednio dozowany), oziębiony ciekłym helem może być użyty jako maser krystaliczny, czyli jako wzmacniacz lub generator mi-krofalowy.
CIECZ- ciało, które ma określoną objętość, a nie ma określonej postaci; stan ciekły jest jednym ze stanów skupienia materii. Własności cieczy są zależne od temperatury; w niższych temp., bliskich krzepnię-cia, ciecz wyraźniej upodabnia się do ciał stałych (krysta-licznych), a w wyższych temperaturach — do ciał ga-zowych. Ciecz różni się od gazów głównie tym, że jej cząsteczki (drobiny) silnie oddziałują wzajemnie na siebie za pośrednictwem sił - Van der Waalsa; wskutek tego przeprowadzenie dowolnej cząsteczki z wnętrza cieczy na jej powierzchnię (zwiększenie powierzchni) wymaga wykonania pracy, czego wyrazem jest napięcie po-wierzchniowe cieczy. Podobieństwo cieczy do stałych kryształów wynika m.in. stąd, że atomy lub cząsteczki cieczy są upo-rządkowane w małych obszarach i, wg teorii (1925) radź. Fizyka J.I. Frenkla, wykonują drgania dokoła swych położeń równowagi; cząsteczki te przechodzą jednak od jednego położenia równowagi do drugiego znacznie łatwiej niż w kryształach. Własności cieczy w nor-malnych warunkach są na ogół izotropowe (nie zależą od kierunku); nieliczne ciecze których pewne własności fi-zyczne są trwale anizotropowe ,zw. są ciekłymi kryształami; reprezentują one pośred-ni stan skupienia między cieczą a ciałem stałym.
W odpowiednio niskiej temperaturze ciecz krzepnie i przechodzi w ciało stałe, krystaliczne; krystalizacja zaczyna się w otoczeniu tzw. zarodzi (za-rodków) krystalicznych, tj. w otoczeniu jakiegokolwiek kryształka lub zanieczyszczenia mech.; gdy w cieczy brak zarodzi krystalicznych (np. w starannie oczyszczonej wodzie), można jej temperaturę obniżyć poniżej tem-peratury krzepnięcia; otrzymuje się wtedy ciecz przechłodzoną. Każda ciecz posiada pewną lepkość (wewn. tarcie pojawiające się przy względnych ruchach różnych warstw cieczy) która wzrasta przy obniżeniu tem-peratury cieczy.; w szczególności u niektórych cieczy wzrost lep-kości przy obniżaniu temperatury jest tak duży, że nie mogą krystalizować, lecz przechodzą w bezpostaciowe ciało stałe (np. szkło, lak).
Przy podwyższaniu temperatury zmniejsza się lep-kość oraz zwiększa się intensywność parowania cieczy.; jeśli w c. tej znajdują się ślady dowolnego gazu, to w pew-nej temperaturze zaczyna ona wrzeć ( wrzenie); po usunięciu z cieczy gazu (np. przez staranne jej go-towanie) można ją podgrzać powyżej temperatury wrzenia nie wywołując wrzenia; otrzymuje się ciecz przegrzaną.
Badaniem właściwości c. zajmują się hydrome-chanika, rozpatrująca ciecz jako ośrodek ciągły, na który działają siły zewn oraz kinetyczna teoria cieczy ( kinetyczna teoria materii), obejmująca procesy mole-kularne (międzycząsteczkowe) zachodzące w samej cieczy; z punktu widzenia mechaniki płynów (aero i hydro-mechaniki) c. jest — obok gazu — płynem.

Przydatna praca?
Przydatna praca? tak nie 248
głosów
Poleć znajomym

Serwis Sciaga.pl nie odpowiada za treści umieszczanych tekstów, grafik oraz komentarzy pochodzących od użytkowników serwisu.

Zgłoś naruszenie
JAK DOBRZE ZNASZ JĘZYK ANGIELSKI? x ads

Otrzymałaś kupon na darmowe lekcje angielskiego.

3 MIESIĄCE NAUKI MOŻESZ MIEĆ GRATIS.
Odbierz kupon rabatowy