Kondensuotos medžiagos

Įvadas Gamtoje kūnai gali būti 4 agregatinių būsenų: kietoji, skystoji, dujinė ir plazma. Kietoji ir skystoji būsenos dar yra vad kondensuota būsena. Kietieji kūnai savo ruožtu yra skirstomi į kristalinius ir amorfinius. Pagr požymis pagal skirstymą lydymosi temp. Kristal kūnų lydymosi temp yra griežtai apibrėžta t.y pakaitinus kristalą iki lydymosi temp jo temp nebesikeičia kol kristalas neišsilydo. Amorfiniai kūnai minkštėja palaipsniui kol kūnas išsilydo jo temp nuolat didėja. Dar yra būdinga anizotropija t.y įvairių mechaninių, elektrinių, optinių bei šiluminių sav priklausymas nuo krypties. Amorf kūnai tokių savybių neturi ir yra vad izotropiniais. Krista sav lemia tai kad atom arba kitos kristal sudaranč strukrtūrines daleles, kristale yra išsidėstę tvarkingai. Kristal gardelė Kietųjų kūnų atomai išsidėstę kristale pagal tam tikrą geom dėsning, šis dėsning yra vad erdvine gardele. Gardelė yra geometrinė sąvoka. Jeigu atitinkamu dėsning erdvėje nubrėžtume tieses tai jų sankirtos taškai vad gardelės mazgais. Dėl kristalo atominės sandaros periodiškumo jo mazguose esančios dalelės periodiškai kartojasi. Šį pasikartojimą galime aprašyti transliacijomis (poslinkiais) tam imami 3 vektoriai nesantys vienoje plokštumoje ir jų pagrindu brėžiamas gretasienis (gardelės narvelis), visą kristalą galime atkartoti išilgai vektoriais paslenkant visą narvelį. Galima parinkti daugybę būdų kad atkartoti kristalą. Tačiau 1848m prancūzų fizikas Bradė įrodė kad iš daugybės narvelių galima išrinkti tik vieną kuris tiksliai apibūdins visą kristal. Tam reikėtų išpildyti šias sąlygas: 1) narvelio geom simetrija turi atitikti kristalo formą. 2) parenkant narvelį tarp elementaraus narvelio sienelių turi būti didžiausiai stačių kampų sk. 3) tenkinant 1 ir 2 sąlygas narvelio tūris turi būti minimalus. . Gardelės arba elementa narveliai yra skirstomi į paprastuosius t.y necentruotus; centruoto paviršiaus; centruoto tūrio; centruotų pagrindų. Paprastai gardeliai tenka vienas mazgas. Centruoto paviršiaus gardelėje mazgai arba atomai gali būti išsidėstę ant kiekvieno paviršiaus. Elementariųjų gardelių klasifikacija Elementarių gardelių pavidalas priklauso nuo modulių ir kampų tarp jų. Parenkant įvairiu vektorių modulius ir kampus tarp jų galima sukomponuoti įvairias figūras. Bravė įrodė kad gali būti 14 skirtingų erdvinių grupių. Ši klasif atitinka praktinius kristalografijos poreikius ir dabar yra visuotinai naudojama. Priklausomai nuo gardelės tipo, kristalai skirstomi į 7 kristalografijos sistemas kurios vad Singonijos. Kristalų simetrija Kristalų gardelės ir kristalų struktūros yra charakterizuojamos simetrija. Kokią nors simetriją sudaro tam tikri elementai tai gali būti plokštumos, atkarpos arba taškai. Šie eleme atitinka tam tikrom operacijom kurias atlikus nagrinėjamas objektas išlieka invariantiniu (nepakitę). Visas simetrines operacijas galima sugrupuoti į simetrines grupes. Simetrinės grupės į kurias įeina tik sukimas, atspindys ir inversija, bet neįeina slinkimas vad taškinėmis simetrijos grupėmis. Atliekant šių grupių operacijas bent vienas taškas nejuda. Panagrinėkime taškinės simetrijos operacijas: 1) sukimas; kristalinę gardelę sukant tam tikru kampu apie pasirinktą ašį ji lieka invariantine t.y 2 būsenų prieš sukimą ir po sukimo simetrijos požiūriu atskirti neįmanoma. Išskiriamos sukimo ašys apie kurias yra sukama tarkim pasukus kristalą apie ašį kampu 2π/n kristalas grįžta į pradinę padėtį, tada tokia ašis vad n-tosios eilės simetrijos ašimi, o sukimo operacija yra žymima Cn. 2) veidrodinis atspindys; kai kurios nors plokštumos atžvilgiu elementarios gardelės mazgų veidrod atspindys palieka gardelę invariantinę. Veidrod atspindys žymimas [δ]. Jei veidrod atspindys yra atžvilgiu plokštumos statmenos atitinkamos eilės sukimosi ašiai tai tokia operacija žymima δn. Atspindys atžvilgiu plokštumoje kurioje yra simetrijos ašis yra žymima δd. 3)inversija; yra gaunama tada kai gardelėje sukeičiami du mazgai savo vietomis. Kristalų klasifik pagal cheminio ryšio tipą Kristalą sudaro tarpusavyje sąveikaujančios dalelės atomai, jonai, ir molekulės. Sudarius stabilų ryšį tarp atomų pastebėta kad pilnutinė kristalų energija yra mažesnė už atskirų atomų pilnutinę energ sumą. Šių energ skirtumas vad kristalo ryšio energ . Yra patogu įvesti ryšio energiją tenkinančią 1 atomui. Kietieji kristaliniai kūnai pagal vyraujančius ryšius kristaluose yra skirstomi į joninius, kovalentinius, molekulinius, metalinius ir vandenilinius. Joniniai kristalai Joninio ryšio atveju traukos jėgos tarp dalelių yra kuloninės, elektrostatinės jėgos tarp skirtingo ženklo jono. Toks ryšys dar vad Heteropoliniu. Šitas ryšys susidaro dviatomėse molekulėse jungiantis aktyviausiems metalams su nemetalais NaCl, CaCl. Kai elementų elektrinių neigiamumų skirtumas yra didelis, elementas kurio elektrinis neigiamumas yra didesnis prisitraukia netik savo bet ir gretimo atomo išorinius elektronus todėl jis virsta neigiamu jonu, o metalo elektrodas praradęs išorinius elektronus virsta teigiamu jonu. Toks elektronų perėjimas vyksta todėl kad energetiniu požiūriu yra naudinga, nes bendra molekulės energ yra mažesnė negu atskirai paimtų neutralių natrio ir chloro atomų. Joniniuose kristaluose laisvų krūvio nešėjų nėra, nes išorinių elektronų sluoksniai yra pilnai užpildyti. Joniniai kristalai yra geri izoliatoriai. Kovalentiniai kristalai Kovalent kristalai dar vad atominiais kristalais kadangi tokių kristalų gardelės mazguose yra neutralūs atomai. Ryšio jėgos tarp atomų taip pat yra elektrinės prigimties, bet nėra kuloninė. Šias jėgas paaiškina tik kvantinė mechanika. Kvantinis ryšys dar vad Homeopoliniu. Homeopolinio ryšio esmė yra ta kad kvantiniai elektronai kurie tūrėtų būti sferiškai pasiskirstę aplink kiekviena atomą tampa bendri abiem kaimyniniems atomams. Tose srityse kuriuose yra atomų brand yra teigiamas perteklinis krūvis, o neigiamas perteklinis krūvis pasiskirsto tiesėje jungiančioje atomus. Toks ryšys vyrauja puslaidininkiuose kristaluose, deimanto, grafityje, silicije, germanyje. Visi šie kristalai turi kubines gardeles, norint suardyti molekulę reikia suvartoti tam tikrą energ. Šią energ vad disociacijos ener ir gali siekti keletą elektronvoltų vienai porai suardyti. Kadangi kiekvienas elektronas gali sudaryti ryšį tik su vienu atomu tai ryšių sk, kuriuose gali dalyvaiti vienas atomas yra nusakomas atomo valentingumu. Molekuliniai kristalai Molekulinių kristalų gardelės mazguose yra molekulės. Tarp molekulių nutolusių viena nuo kitos tam tikru atstumu gali atsirasti dipolinė trauka arba Van Der Valso jėgos. Šios jėgos labai greitai mažėja didėjant atstumui tarp molekulių U(R)~1/R6 sąveikos potencinė energ yra atvirkščiai proporcinga atstumui 6 laipsnyje. Todėl ryšio energija yra nedidelė 0,1eV. Todėl molekuliniai kristalai turi žemą lydymosi temp, didelį spūdumą. Molekulių gardeles sudaro vanduo, anglies dioksidas, azotas. Vandeniliškieji ryšiai Vandeni ryšys yra šiek tiek stipresnis už Van Der Valso kristalų su vandeniliniu ryšiu. Ryšio energ siekia 0,5eV molekulei. Tačiau šis ryšys yra silpnesnis už kovalentinį. Šiam ryšiui būdinga tai kad vandenilio elektronas sudaro ryšį su 1 atomu, o likę protonai su kitu atomu dėl to vandenilio atomas būna surištas su 2 kitais atomais nors elektronas gali dalyvauti tik viename kovalentiniame ryšyje. Tunelinis ryšys susidaro tokiose sistemose, kuriuose yra vandenilis ir deguonis, geležis, anglis. Šis ryšys yra aptinkamas organiniuose kristaluose. Metališkieji kristalai Apie 80% cheminių elem yra metalai. Metalų atomai išoriniame elektronų lygmenyje turi po vieną arba du elekt ir daug tuščių orbitalių metalų jonizacijos energ yra maža jose joniniai ryšiai nesusidaro, nes visi atomai yra vienodi, kovalent ryšiai taip pat nesusidaro, nes metalų atomai turi per mažai valentinių elektronų. Metališkąjį ryšį apibūdina tai kad valentiniai elektronai tampa laisvi ir bendri visiems atomams, o likę teigiami jonai yra tarsi panardinti į elektrines dujas. Išoriniame elektriniame lauke elektronai gali laisvai pereiti nuo vieno atomo prie kito todėl šitokie kristalai yra geri laidininkai geležis, sidabras, auksas. Metaluose laisvųjų elektronų konc yra labai didelė siekia 1023 cm-3. Didžiausią ryšio energ turi kovalentiniai ir joniniai kristalai, ryšio energ apibūdina pagrindines fizines kristalų savybes: lydymosi temp, mechaninį atsparumą, kietumą ir t.t. Skystieji kristalai. Tai yra tarpinė būsena tarp kieto kristalo ir izotropinio skysčio. Sąveika tarp skystojo kristalo molekulių yra nusakoma Van Der Valso jėgomis. Skystieji kristalai pirma kartą pastebėti buvo dar 19a. Dujiniai kristalai Nors būvis medž yra dujinis bet molekulės išsidėsčiusios tam tikra tvarka. Tokios dujos turi anizotropinių savybių. Kristalų defektai Nukrypimai nuo tobulosios gardelės yra vad defektais. Defektai skirstomi į : 1) Taškinius (vakansijas tarp mazginiai atomai, priemaišų atomai); 2) Linijiniai defektai (kraštinės ir sraigtinės dislokacijos); 3) Plokštuminiai defektai ( kristalų ribos arba kristalų sritys pasuktos viena kitos atžvilgiu); 4) Tūriniai defektai (neuždaros arba atviros poros įtrūkimai, kitos medžiagos intarpai). Taškiniai defektai Jis egzistuoja kristaluose. Esant bent kokioms temp gardelėje visuomet atsiras atomai kurių energ žymiai didesnė už gardelės vidutinę energ. Tokie atomai gali palikti savo mazgus ir pereiti į pomazgius, tokiu būdu atsiranda du defektai: vakansija ir tarpmazginis atomas. Vakansija žymima [V], o tarpmazginiai atomai [I]. Judėdamas I gali nutolti nuo V ir su ja toliau nebesąveikauti, tokie taškiniai defektai kai šalia yra V ir I yra vadinami Frenkelio, kadangi atsiradus V cheminiai ryšiai tarp gretimų atomų persigrupuoja įvairiais būdais tai V gali turėti elektrinį krūvį. Yra žinomos 5 būsenų V: V0; V-; V2-; V+; V2+. Dalis atomų palikusių savo vietas gali pereiti į kristalo paviršių sudarydami naują atomų sluoksnį. Likusios pavienės V kristale yra vad ŠOTKI defektais. Atsiradus V ir I kristalinė gardelė deformuojasi. Defekto aplinkoje šita deformacija gali siekti keletą šimtų tarp atominių atstumų. V konc stipriai priklauso nuo temp Nš=Ne-ΔW/kT; NF=. Galimi ir radiaciniai taškiniai defektai, jie atsiranda apšaudant kristalą didelės energ (10keT – 3Mev) elektronais, neutronais, protonais, atomų jonais. Spinduliai nutraukus spinduliavimą šitokie defektai rekombinuoja (pranyksta) todėl jie vad nepusiausvyraisiais (nėra šiluminėje pusiausvyroje su gardele). Priemaišiniai defektai Šie defektai stipriai įtakoja kristalų, o ypač puslaidininkių sav tokias kaip laidumas, krūvininkų judrumas, krūvininkų gyvavimo trukmė. Įvairių priemaišų atomų puslaidininkiuose yra visada, kadangi šiuolaikiniais kristalų valymo metodais neįmanoma gauti kristalų, kuriuose priemaišų konc būtų mažesnė negu N=1011 cm-3. Šiuolaikinėse techn formuojant puslaidininkius prietaisus priemaišos yra įterpiamos specialiai toks procesas vad LEGIRAVIMU. Priemaišos atomai gali būti išsidėstę gardelės mazguose arba tarpmazgiuose, jeigu priemaišos atomas pakeičia gardelės atomą mazge tai priemaiša vad pakeitimu, jeigu tarpmazgyje priemaiša vad įterptine, kurią iš šių vietų užims priemaiša priklauso nuo dviejų faktorių: geometrinio ir elektrocheminio. Priemaiša užims vieta gardelės mazge tokiu atveju jeigu jos atomo dydis skiria jį nuo gardelės atomų nedaugiau negu 15%. Priemaišiniai atomai keičia atomų energetinį spektrą kristale. Visi taškiniai defektai sukuria draustinėje juostoje leistinus energinius lygmenis, jeigu energijos lygmenys yra arčiau leidumo juostos dugno tai jie vad DONORINIAIS. Jeigu lygmenys yra arčiau valentinės juostos tokie lygmenys vad AKCEPTORINIAIS. EC – ED > θ, x→, Cv=3R. Šiluminis plėtimasis Visi kietieji kūnai šildomi plečiasi. Daugelio kietųjų kūnų santykinis plėtimasis pakitus temperatūrai vienu laipsniu yra α ~ 10-5 K-1 eilės. Linijinis šiluminio plėtimosi koeficientas a išreiškiamas taip: , L - kietųjų kūnų ilgis. Tūrinis plėtimosi koeficientas: . Anizotropinių kristalų linijinio plėtimosi koeficientas a yra skirtingas skirtingomis kryptimis. Todėl plėsdamasis kristalas keičia savo formą. Tam tikra fizikinė tiesė, t.y. linija kristale, susieta su tam tikromis kietojo kūno dalelėmis, kristalo šiluminio plėtimosi metu neišlieka tiesi. Tačiau kiekviename kristale yra tokios kryptys, išilgai kurių fizikinė tiesė išlieka tiesi ir šiluminio plėtimosi metu. Tos kryptys vadinamos kristalografinėmis ašimis. Šiluminio plėtimosi koef reikšmės išilgai kristalografinių ašių vad vyriausiomis. Bendruoju atveju kristalai turi tris ašis ir tris skirtingus šiluminio plėtimosi koeficientus α1, α2, α3. Kai kurių singonijų kristaluose šios kryptys yra tarpusavyje statmenos. Įsivaizduokime išpjautą iš kristalo gretasienį su viena kitai statmenomis ašimis ir 0 °C temp briaunų ilgiais, lygiais L01, L02, L03. Šio gretasienio tūris V0 = L01*L02*L03. Gretasienį pašildžius iki temp t, briaunos įgaus reikšmes: L1=L01(l+ α1t), L2 = L02(l + α2t), L3 = L03(l + α3t). Naujasis gretasienio tūris bus lygus: V = V0(l + α1t) (1 + α2t) (1 + α3t). Sudauginę ir atmetę visus narius, turinčius dydžių α1, α2, α3, sandaugas, apytikriai gausime: V = V0[l + (α1 + α2+ α3)t]. Iš kitos pusės, teigėme, kad V=V0(l+βt). Sulyginę dvi paskutiniąsias formules, gauname: β= α1 + α2+ α3 . Tuo būdu, kristalo tūrinio plėtimosi koef apytikriai lygus jo vyriausių plėtimosi koef sumai. Izotropiniam kūnui α1 = α2= α3= α ir gauname, kad β=3α. Anizotropinių kristalų linijinio plėtimosi koef α priklauso ir nuo temperatūros. Teoriškai įrodoma, kad linijinis šiluminio plėtimosi koef yra proporcingas kietojo kūno molinei šilumai Cv. Tai akivaizdu, kadangi Cv yra dalelių svyravimų energijos priklausomybės nuo temp matas. Kita vertus, svyravimo energijos padidėjimas padidina tarpatominius atstumus. Tokiu būdu, galima teigti, kad aukštose temp, t.y. esant T>θ, α - beveik pastovus dydis, bet žemose temperatūrose, kai T>Te vad. stipraus ryšio artitunumu; 2) Ve

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!