Қатты денелердің жылулық қасиеттері
Мазмұны
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1. Қатты дененің құрылымы туралы жалпы түсінік
1.1 Қатты денелерге жалпы түсінік ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
1.2 Кристалдық торлардың
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .14
1.3 Кристалдардың механикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...18
I.4 Сұйық
кристалдар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ...31
2 Қатты дене физикасы
2. 1 Қатты денелердегі деформация
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..35
2. 2 Қатты денелердің балқуы және
кристалдануы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2. 3 Пластиқалық және
морттық ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...44
2. 4 Қатты денелердің жылулық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ..45
2.5 Қатты дене қасиеті тақырыбына өткізілген сабақ
үлгісі ... ... ... ... ... ...50
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..58
Қолданылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... 61
Кіріспе
Қатты дене физикасы – өндірістің ғылыми негіздерінің бірі болып
саналады. Сондықтан қатты дене қасиеттерін тереңірек оқыту қазіргі өмір
талабы болып табылады.
Зерттеу жұмысының өзектілігі Қатты денелердің құрылымы құрылысына
тоқатала отырып олардың физикалық қасиеттерін ашып көрсету. Қатты дененің
қасиеттерін білу тек қана физикада ғана емес сонымен қатар техникада,
өндірісте де маңызды екенін ашып көрсету.
Зерттеудің ғылыми жаңалығы мен теориялық маңыздылығы Біз қатты дене
— жер шарының бетінде, қатты денелерден салынған құрылыстарда — үйлерде
өмір сүріп жатырмыз. Біздің денеміздің кұрамында шамамен 65% су болғанның
өзінде (мыйда — 80%) ол қатты денеге жатады. Еңбек құралдары, машиналар да
катты денелерден жасалған. Қатты денелердің қасиеттерін білу тіршілік үшін
кажет. Заттарды құрайтын малекулалардың кинетикалық энергияларының,
олардың өзара әсерінің потенциялдық энергияларымен салыстырғанда кеміп
кетуі, қатты денелердің пайда болуына әкеледі. Олар, сұйықтар сияқты,
көлемі ғана емес пішінін де сақтай алады. Заттың қатты күйі кристалл және
аморф денелер болып екі түрге бөлінеді. Жалпы өндірісте кез –келген заттың
құрылысын білуіміз керек. Заттың құрылысын анықтамай біз олардың тұрмыстағы
талаптарға қолданылуын анықтай алмаймыз. Міне сондықтан қатты дененің
қасиетерінің маңыздылығы осында деп білемін. Міне осы айтылғандарды ескере
отырып құатты денелердің физикадағы, тіршіліктегі маңызын қарастырамыз.
Зерттеудің практикалық маңыздылығы Дипломдық жұмысты жазу барысында
жинақталған материалдар болашақта физика пәнінің мұғалімдеріне өзінің
пайдасын тигізері сөзсіз. Бұл жұмыста заттардың молекулалық құрылымын аша
отырып қатты денелердің негізгі қасиеттерін сипаттадым. Бұл жұмысым
болашақта мектеп мұғалімі ретінде өзімнің көмекші құралым болатынына
сенімдімін.
Зерттеудің мақсаты − Қатты денелердің қасиеттерін ашып олардың
физикалық табиғатын түсіну. Әр түрлі мысалдар келтіре отырып қатты
денелерге толық мағлұмат беріп, олардың қолдану салаларын қарастыру.
Зерттеу обьектісі – табиғатта кездесетін қатты денелер.
Зерттеу болжамы – Қатты денелер физикасы, қатты денелерде болатын
деформация түрлері қатты дене деформациясы, созылу деформациясы, ығысу
деформациясы тақырыптарын аша отырып қатты денелердің физикалық табиғатын
түсіндіру. Осы мақсатқа жету және ұсынылған болжамның дұрыстығын тексеру
үшін мынандай зерттеу міндеттері анықталды:
− зерттеу тақырыбы бойынша заттардың молекулалық құрылымына талдау
жасау.
− мысалдар келтіре отырып, табиғатта кездесетін заттардың
қасиеттерін сипаттай отырып оқушылардың физикаға қызығушылығын арттырудың
әдістемелік негізін айқындау.
− Дипломдық жұмысты жазу барысында келтірілген материалдардың
мазмұнына талдау жасау және тіршіліктегі қатты денелерге мысалдар келтіре
отырып негізгі қасиеттерін, айырмашылықтарын айқындау.
Зерттеу жұмысының практикалық базасы: Ы.Алтынсарин атындағы Арқалық
мемлекеттік педагогикалық институты, институттың ақпаратты технологиялық
кітапхана кешені.
Дипломдық жұмыстың құрылымы кіріспеден, екі тараудан, қорытындылар
мен пайдаланған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1. 1 Қатты денелерге жалпы түсінік
Біз қатты дене — жер шарының бетінде, қатты денелерден салынған
құрылыстарда — үйлерде өмір сүріп жатырмыз. Біздің денеміздің кұрамында
шамамен 65% су болғанның өзінде (мыйда — 80%) ол қатты денеге жатады.
Еңбек құралдары, машиналар да катты денелерден жасалған. Қатты денелердің
қасиеттерін білу тіршілік үшін кажет.
Заттарды құрайтын малекулалардың кинетикалық энергияларының, олардың
өзара әсерінің потенциялдық энергияларымен салыстырғанда кеміп кетуі, қатты
денелердің пайда болуына әкеледі. Олар, сұйықтар сияқты, көлемі ғана емес
пішінін де сақтай алады. Заттың қатты күйі кристалл және аморф денелер
болып екі түрге бөлінеді.
Физикада, тек кристалдық денелерді ғана, қатты денелер деп аталады.
Аморф денелердің кристалдық құрылымы болмайды, сондықтан, оларды қатты күй
ала алғанымен, өте тұтқыр сұйықтар ретінде қарастырылады. Аморф денелердің
тек жақын атомдары ғана, сұйықтардағы сияқты, белгілі бір заңдылықпен
орналасады яғни жақын тәртіптілікпен. Оларға шыны шайыр, әртүрлі
пластмассалар және т.б. жатады. Теориялық тұрғыда аморф денелердің
қасиеттерін, олардың қалай дайындалғанына байланысты өзгеріп отыратын
болғандықтан, сипаттау өте күрделі. Аморфты денелердің физикалық қасиеттері
барлық бағыттарда бірдей: олар изотропты. Аморф денелер тұақты пішінге ие
емес, олардың белгілі балқу нүктесі болмайды және температурасы өскен
сайын, жұмсара отырып тұтқырлығын кемітеді де, сұйық күйге айналады. Кейбір
қатты заттар (күкірт, қант, кварц және т.б.) кристалл күйде де, аморф күйде
де бола алады.
Кристалдар – атомдары мен молекулалары кеңістікте белгілі
реттілікпен орналасып, құрылым түзетін – қатты денелер. Кристалдардың бұл
ерекшелігі, олардың жоғарғы температуралардағы және электромагниттік
өріспен әсерлесуі кезіндегі қасиеттерін болжауға, сипаттауға мүмкіндік
береді. Сондықтан кристалдар физикасы жақсы дамыған. Кристалдар тұрақты
пішінге ие, олардың физикалық қасиеттері электр өткізгіштігі, серпімділігі,
жылу өткізгіштігі, сыну көрсеткіші және т.б. алынған бағыттарға байланысты
өзгеріп отырады, яғни – анизотропты. Кристалдардың өздерінің табиғатына
байланысты тұрақты балқу температурасы болады[1].
Кристалдар-монокристалдар және поликристалдар болып екіге бөлінеді.
Егер қатты денелер пішіні бірдей ірі кристалдардан құралатын болса, оны
монокристалл деп аталады. Табиғатта тау хрусталы сияқты ірі монокристалдар
болады. Әртүрлі заттардың жеке монокристалдары, жасанды түрде,
лабораторияларда өсіріледі.
Ал, біріне-бірі ілінсе өскен өте ұсақ кристалдардан құралатын қатты
денелер, поликристалдар деп аталады. Барлық металлдар поликристалдарға
жатады. Бірақ олардың қасиеттері анизотропты емес, себебі, оларды құрайтын
ұсақ кристалдар ретсіз, бейберекет орналасады. Сондықтан, дене көлемі,
оларды құрайтын жекелеген кристалдардың көлемінен әлдеқайда үлкен болса,
онда дененің ішіндегі барлық бағыт біркелкі деп саналады да, оның қасиеті
алынған бағытқа тәуелсіз болып шығады. Қайсыбір жағдайларда, аморф денелер
қатты денелерге айналады мысалы, мыс, ескі шыны, пластикалы күкірт және
т.б. Бұдан заттың кристалдық күйі, аморфты күйіне қарағанда, орнықты болады
деген қорытынды жасалады.
Кристалл және аморф денелер
Қатты денелер өздерінің физикалық қасиеттеріне байланысты бір
–бірінен өте үлкен айырмашылықтары бар екі топқа, атап айтқанда:
1. кристалл денелер
2. аморф денелер болып бөлінеді.
Заттың кристал күйінің негізгі белгісі оның анизатропиялығы болып
табылады. Қатты денелер сұйықтар сияқты өзінің көлемін ғана сақтап
қоймайды, сонымен бірге пішінін де сақтайды деп жоғарыда айтып өткенбіз.
Олар негізінен кристалл күйде болады. Кристалдар — атомдары немесе
молекулалары кеңістікте белгілі орын алып, реттеліп орналасқан қатты
денелер. Кристалдың сыртқы пішінінің дұрыс болып келуі де осыған
байланысты. Мысалы, кәдімгі ас түзы түйіршігінің бір-бірімен тік бұрыш
жасап түрған жазық жақтары бар (1-сурет), Мұны лупа арқылы ас
тұзын қарап байқауға болады. Ал қар қырауының пішіні геометриялық жағынан
қандай дұрыс десеңізші! Мұнда да кристалл катты дененің —мұздың ішкі
құрылысының геометриялык дұрыстығы бейнеленген (2-сурет).
Сурет 1. Кәдімгі ас түзы түйіршігі
Сурет 2. Тұздың ішкі құрылысының геометриялык дұрыстығы
Кристалдар анизотропиясы. Бірақ сыртқы пішіні дұрыс болып келуі
кристалдың реттелген құрылысының жалғыз ғана, тіпті ең басты салдары бола
алмайды. Бастысы — физикалық қасиеттердіц кристалда таңдалып алынған
бағытқа тәуелділігі. Ең алдымен, кристалдың механикалық беріктігінің әр
түрлі бағытта түрліше болатыны көзге түседі. Кесек слюданы бір бағытта жұқа
пластиналарға оңай ажыратуға болады. Бірақ оны пластиналарға перпендикуляр
болатын бағытта жарып бөлу әлдеқайда қиын. Сондай-ақ, графит кристалы
қабаттарын да бір бағытта оңай ажыратуға болады. Қарындашпен жазған кезде,
графит кабаттары осылай үздіксіз ажыратылады да, оның жұқа қабаттары қағаз
бетінде қалып отырады, Бұлай болу себебі — графиттің кристалл торыньң
кұрылымының қат-кабаты болуына байланысты. Қабаттар көміртегі атомдарынан
тұратын параллель жазық торлар катарынан түзілген. Атомдар дұрыс
алтыбұрыштардың төбелерінде орналасқан. Қабаттың ара қашықтықтары біршама
алшақ: алтыбұрыш кабырғасының ұзындығына қарағанда шамамен екі есе артык.
Сондықтан әр кабаттың өзінің ішіндегі байланыстан гөрі, кабаттардың өзара
байланысы нашарлау болады.
Көптеген кристалдар жылуды және электр тогын әр түрлі бағыттарда
түрліше өткізеді. Кристалдардың оптикалық қасиеттері де бағытқа тәуелді.
Мысалы, кварц кристалы оған түсетін сәуленің бағытына қарай жарықты түрліше
сындырады.
Физикалық қасиеттердіц кристалл ішіндегі бағыттарға тәуелділігі
анизотропия деп аталады. Барлык кристалл денелер анизотропты[1].
Монокристалдар және поликристалдар.
Металдардың құрылымы кристалдық болып келеді. Сондықтан да, қазіргі
кезде еңбек құралдарын, түрлі машиналар мен механизмдерді жасау үшін
негізінен металдар пайдаланылады.
Егер едәуір бір металл кесегін алсақ, онда онын, кристалдық құрылымы
не сыртқы пішінінен, не оның физикалық касиеттерінен бірден көзге түсіп,
білінбейді. Әдеттегі күйде металдарда анизотропия байқалмайды.
Бұл жерде мәселе, кәдімгі металл бір- бірімен тұтасып бітіскен өте
көп ұсақ. кристалдардан тұратынында болып отыр. Металдың әсіресе, жаңа
сынған жерін микроскоп немесе тіпті лупа арқылы қарап, оларды көру қиынға
сокпайды. Әр түрлі бағытқа қарай кристалдың касиеттері түрліше болады,
бірақ бұл майда кристалдар бір- біріне қатысты бейберекет бағдарланған.
Осының нәтижесінде жеке бір кристалдың көлеміне карағанда анағұрлым үлкен
көлемдегі металдың ішіндегі барлық бағыттар тең түседі де, олардын
қасиеттері барлық бағыт бойынша бірдей болады.
Саны көп майда кристалдардан тұратын қатты денені пали-кристалл дене
деп атайды. Жекелеген кристалдарды монокристалдар деп атайды.
Аса мұқияттылықты сақтай отырып, өлшемі үлкен металл кристалын —
монокристалды өсіріп алуға болады. Әдеттегі жағдайларда поликристалл
денелердің түзілу себебі — көптеген кристалдардың өсуі олар бір- біріне
жақындап, тиіскен кезіне дейін жалғаса береді де, осының нәтижесінде бір
тұтас дене түзіледі.
Поликристалл денелерге металдар ғана жатпайды. Мысалы, кесек қанттың
да құрылымы поликристал болады.
Кристалл денелердің көпшілігі өзара бітіскен көптеген кристалдардан
түзілгендіктен поликристалдарра жа-тады. Жеке кристалдар —
монокристалдардың геомет-риялық пішіндері дүрыс және олардың әр барыттары
қасиеттері-де әр түрлі болады (анизотропты).
Аморф денелер
Қатты денелердің барлығын кристалл денелерге жатқызуға болмайды.
Қөптеген аморф денелер де бар.
Сурет 3. Аморфтық дене бөлшектерінің орналасуы
Аморф денелерде атомдардың дәлмедәл ретті орналасуы жоқ. Тек жақын
көрші атомдар — белгілі бір ретпен орналасады. Бірақ кристалдарға тән
құрылымның кандай да бір элементінің барлық бағытта дәлме-дәл қайталануы
аморф (3-сурет) денелерде болмайды.
Сурет 3а. Аморфтық дене бөлшектерінің орналасуы
Көпшілік жағдайда бір заттың өзі кристалдық күйде де, аморф күйде де
бола алады. Мысалы, кварц SiO2 кристалды түрде және аморфты түрде
(кремнезем) бола алады. Схема түрінде кварцтың кристалдық түрін дұрыс
алтыбұрыштардан тұратын тор деп қарастыруға болады. (3а -сурет).
Кварцтың аморфты құрылымы да тор тәрізді, бірақ дұрыс пішінді
емес.(3а- сурет)
Онда алтыбұрыштармен қатар, бесбұрыштар және жетібұрыштар кездеседі
(3а-сурет).
Аморф денелердің қасиеті.
Барлық аморф денелер изотропты, олардың физикалық касиеттері барлық
бағытта бірдей. Аморф денелерге шыны, көптеген пластмассалар, смола,
канифоль, қант мұздағы (мөлдір кәмпит) т. б. жатады.
Сырттан әсер еткенде аморф денелерде қатты денелердегі сияқты
серпінділік қасиеті және сұйықтағы сияқты аққыштық қасиеті де бір мезгілде
байқалады. Қысқа мерзімді әсерлерде (соққанда) олар қатты денелерге
ұқсайды, ал қатты соққанда кесектерге жарылады. Бірақ өте ұзақ уақыт әсер
еткенде аморф денелер ағады. Бұған ұзағырақ уақыт бақылау нәтижесінде көз
жеткізуге болады. Қатты орында жатқан бір кесек смоланы бақылаңдар. Смола
бірте-бірте қатты дене бетіне жайылады. Смоланың температурасы неғұрлым
жоғары болса, оньң жайылуы да соғұрлым тез болады.
Аморф денелердің атомдарының не молекулаларының отырықшылық
өмірінің сұйық молекулалары сияқты белгілі бір уакыты — тепе-теңдік
қалпының төңірегінде тербелу уақыты бар. Бірақ сұйықтарға қарағанда бұл
уақыт оларда мейлінше көп, Мысалы, вар үшін t= 20°С-ге сәйкес отырықшылық
өмірінің уақыты 0,1 с-қа тең.
Бұл жағынан карағанда аморф денелер кристалл денелерге жақын, себебі
атомдардың бір тепе-теңдік қалыптан екінші тепе-теңдік қалыпқа секіріп өтуі
сирек болып отырады.
Төменгі температураларда аморф денелер қасиеттері жағынан қатты
денелерге ұқсайды. Олардың аққыштығы жоктың қасы. Бірақ температура
жоғарылаған сайын біртіндеп жұмсара бастайды да, олардың қасиеттері бірте-
бірте сұйықтардың қасиеттеріне көбірек жақындай түседі. Бұлай болу себебі —
температураның артуына қарай атомдардың бір тепе-тендік қалыптан екіншіге
секіруі жиілене түседі. Кристалл денелерде аморф денелердің ерекшелігі —
оларда белгілі балқу температурасы жоқ[2].
Кристалдардың құрылымы
Қатты денелер теориясының негізі ретінде шексіз идаел монокирсталдың
моделі алынады. Мұндай монокристалда кіші құрылымдық бірлік, үш өлшемдік
кеністікте белгілі-бір заңдылыққа сүйенеіп қайталанып отырады. Бұл
көзқарас кристалдарды өсіру процестерін бақылауда, табиғаттағы
монокристалдардың пішіндерін және механикалық әсерлер кезіндегі
монокристалдардың бұзылуын зерттеулер нәтижесінде қалыптасады.
Макроскопиялық зерттеулер, кристалдарды өсіру процесінде, зат атомдарының
барлық бағыттарда біркелкі таралытындығын дәлелдейді. Кристалдың сыртқы
пішінінің реттілігі, берілген дене үшін оның тұрақтылығы, ондағы
атомдардың белгілі заңдылықпен орналасуымен түсіндіріледі. Оларда
атомдардың орналасу тәртіптілігі шексіз қашықтықтарда да өзгермейді, яғни,
құрылымында алыс тәртіптілік орын алған. Осы атомдар жайғасуының
симметриялығы және олардың өзара байланысының бағыттылығы кристалдардың
симметриялылығын түсіндіреді. Симметриялы кристалдар белгілі-бір осьпен
айналғанда, өз орнын ала алады, яғни, қайталанып отыратын бөліктерден және
өзінің айналық кескінімен сәйкес келетін оң, теріс фигуралар ала алады.
Денені өз орнына әкелетін әрекеттер – шағылулар, айналулар,
инверсиялар мен трансляциялар және тағы да басқа – симметриялық
операциялар деп аталады. Бұл операциялар кезінде, қатты денелерді құрайтын
атомдар мен молекулалардың ара қашықтықтары өзгермейді, олардың оңы мен
солы сақталады. Шағылу мен инверсияда дененің жобасы өзгереді, яғни, оңы
солына, ал солы оңына сәйкестенеді.
Барлық симметриялық операцияларды шағылуларға жаткызуға болады.
Шағылудың оң санында дененің пішіні өзгермейді, ал сол санында-өзгереді.
Симметриялық операциялар симметриялық элементтер арқылыт жүзеге асады. Оған
симметриялық осьтер,симметриялық жазықтықтар,симметриялық центрлер және
ауысу векторлары жатады.
Симметриялық деп, дене айналған кезде, оның бірдей пішіндері
белгілі-бір бұрылу бұрыштарында қайталанып отыратын, ось айтылады. Яғни,
дененің симметриялық осьінің саны, оның кеңістікте алатын орнында бос
қуыстардың жоқтығымен анықталады. Мысалы, кубты біріне-бірі қарама- қарсы
орналасқан қабырғаларынан өтетін ось арқылы айналдырып, бір айналымда, әр
900 сайын қайталанып отыратын 4 бірдей күй алынады. Мұндай ось төрт
дәрежелі симметриялық ось деп аталады. Ал цилиндрді құраушысына параллель
осьпен айналдыру, шексіз дәрежелі симметриялық ось алуға мүмкіндік береді.
Себебі, оны кез-келген бұрышқа бұру арқылы цилиндр алынады. Цилиндрді,
құраушысына перпендикуляр арқылы айналдыратын ось екінші дәрежелі
симметриялық ось деп аталады. Дене арқылы өтетін кез-келген түзу, бірінші
дәрежелі симметриялық ось деп аталады[2].
Егер кристалдағы мүмкін симметриялық осьтерге перпендикуляр
жазықтықтарда қарастырсақ, онда бұл жазықтықты:
а) үш дәрежелі симметриялық осьпен айналған тең қабырғалы
үшбұрыштар, әр 1200 бұрыш сайын айналып тұрады.
б) екі дәрежелі симметриялық осьі бар параллелограм өз осьімен, әр
1800 бұрышқа бұрылған сайын;
в) төрт дәрежелі сисмметриялық ось бар квадрат, өз осьімен әр 900-қа
бұрылған сайын айналады;
г) алты дәрежелі симметриялық ось бар алты бұрыш, өз осьімен әр 600-
қа бұрылған сайын толтыра алады. Кез-келген дене 3600-қа айналғанда бұрынғы
орнын қайта толтырады. Бұл бірінші дәрежелі симметриялық оське сәйкес
келеді. Басқа кез-келген бұрышқа айналу кеңістікті сол дененің толтыра
алмайтыны түсінікті. Сондықтан, жоғары симметриялық осьтер болмайды деп
саналады.
Қатты денелер физикасында, оны бір-бірінің айналы кескіні болып
табылатындай етіп, екіге бөлетін жазықтықты симметриялық жазықтық деп
атайды. Мысалы, дөңгелек түзу цилиндрді, оның осьі арқылы теңдей екіге
бөлетін, шексіз көп жазықтық жүргізуге болады. Ал, осы цилиндр қиғаш
кесілген болса, оның симметриялық жазықтығы, тек бірге тең болады. Жазықтық
арқылы жүргізілген түзуді, оның шеттерінен теңдей қашықтықтарға бөлетін
нүкте, осы жазықтықтың симметриялық центрі деп аталады.
Жазықтықты параллелограммның қабырғаларын, олардың ұзындықтарына
параллель ауыстыра отырып,толтыруға болады. Осындай операцияны, үшінші
қабырғасы паралелепепид үшінде жүзеге асыруға болады. Мұндай ауыстыруды
трансляция деп атаймыз. Трансляцияны жүзеге асыруға мүмкіндік беретін
векторлары ауысу векторлары деп аталады. Кристалл үш өлшемді құрылым.
Сондықтан, қарапайым қабырғалары параллелепипедті, өзіне параллель түрде,
барлық бағыттарда трансляциялау арқылы, кристалдық кеңістік тор деп
аталатын шексіз периодтты құрылымды алуға болады.
Атомдар, молекулалар, иондар орналасатын, осы параллелепипедтің
шыңдары, кристалдық кеңістік тордың түиіндері деп аталады. Ауыстыру
векторлары арқылы, үш өлшемді кеңістік кристалдық тор түзілетін,
параллелепипед элементар ұя деп аталады. Ең кіші көлемге ие элементар
ұяшық, түиіндерінде 8 бөлшек орналасқан параллелепипед, қарапайым ұяшық деп
аталады. Күрделі құрылымды заттардың элементар ұяшықтарының өн бойында
немесе қырларында қосымша түиіндер орналасады. Кеңістік кристалдық торды
сипаттау үшін, координата осьтерін параллелепипедтің жақтарымен, яғни,
ауысу немесе трансляция векторларымен сәйкестендіріп алады. Осы
векторларының модульдері кеңістік тордың қайталану периодттары болып
саналады. Қарапайым элементар ұяшықтың көлемі мөлшерлі түрде мына өрнек
арқылы анықталады:
V=abc
(1. 1)
Кеңістік тордың әрбір түйініне, базис деп аталған атомды, ионды
немесе молекуланы орналастыру арқылы кристалдық тор алынады. Олай болса,
жеке атомды, ионды, молекуланы немесе бөлшектер тобы базис деп аталады.
Басқаша айтқанда базис қарапайым элементар ұяшықтағы бөлшектер санымен
анықталады.
Кеңістік кристалдық торды сипаттау үшін, параллелепипедтің
қабырғаларының ұзындықтарынан басқа, олардың арасындағы бұрыштарда ,
, белгілі болуы тиіс. Осы ,, шамалары кеңістік
тордың параметрлері немесе тұрақтылары деп аталады. Қарапайым элементар
ұяшықтардан түзілетін, кез-келген кристалдық тордың түйіні мына вектормен
анықталады:
R=n1a+n2b+n3c,
бұл жерде n1, n2, n3 – сәйкес координата осьтеріндегі түйіндер саны.
Олар бүтін сандар және түйін символдары деп аталады. Сонымен, кристалды
өзіне өзі паралель ауыстыру операциясы трансляция деп, ал оған байланысты
симметрия трансляциялық симметрия деп аталады.
Үш өлшемді кеңістікті толтыратын элементар қарапайым ұяшықтар
саны шектеулі болатыны білінеді. Бірақ, олардың саны, қарапайым ұяшықтар
көлемінде немесе оның қабырғаларында орналасқан қосымша түйіндердің
есебінен, көбейетіні түсінікті.
Кристалдағы атомдардың белгілі тәртіппен орналасу заңдылықтарын
терең зерттеген француз ғалымы О. Бравэ. Осы ілімді ілгері дамытуға өз
үлестерін қосқан орыс кристаллографтары Е.С.Федоров, А.В.Гадолин және т.б.
кеңістік торды пішіндеріне байланысты саралаған ыңғайлы деп тұжырымдаған:
мысалы, куб, ромбоэдр, паралелепипед және т.б. Ал, олардың сұлбаларының
санын шектеу мақсатында, мынадай негізгі белгілер тағайындалған:
қабырғаларының арасындағы бұрыштар тік немесе тік емес, жақтары бір-біріне
тең немесе тең емес болады деп қарастырған. Осы белгілерге сәйкес
кристаллографияда барлық қарапайым кеңістік торлар жеті жүйеге
біріктіріледі. Олардың параметрлері 1-кестеде келтірілген.
1-кесте.
Кристалдардың параметрлері
№ Кристалдық жүйе Бұрыштар Ауысу
векторлары
1 Кубтық a=b=c
2 Тетрогоналды a=bc
3 Гексогоналды , a=bc
4 Тригоналды a=b=c
(ромбоэдрлі)
5 Ромбылық a
6 Моноклинді , a
7 Триклинді a
О. Бравэнің зерттеулері, күрделі торлары да 7 жүйеге біріктіруге
болатындығын дәлелдейді. Сонда, барлығы 14 түрлі кристалдық тор болатыны
анықталған. Оларды Бравэ торлары деп атайды. Кристалдық торлардың ішіндегі
ең симметриялысы кубтық тор. Оның екі күрделі түрі болады. Бірінде,
түйіндеріндегіден бөлек, кубтың ауырлық центрінде бір атом орналасады.
Ал, екіншісінде, оның алты қабырғасының центріндеде қосымша атомдар
орналасады. Осылардың екеуінде де кубтың симиетриясы бұзылмайды. Осы
сияқты, көлемді центрленген тетрогоналды; көлемді центрленген, базо
центрленген және бүйірлі центрленген ромбылық; базоцентрленген моноклинді
кеңістік торлардың күрделі ұяшықтары болатындығы белгілі.
Химиялық элементтердің басым көпшілігі қарапайым ұяшықтардан
түзілетін кристалдар болып табылады. Мысалы, 20 шақты элементтер кубтық
бүйірлі центрленген қарапайым ұяшықтардан түзілген кристалдар түзелетіні
белгілі. Оған көптеген металдар (Cu, Ag, Au, Al және т.б.) инертті
газдардың кристалдары ( Ar, Ne, Xn және т.б.) жатады. Онға жуық элементтер,
кристалдану нәтижесінде көлемді центрленген кубтық тор түзеді. Оған калий,
натрий сияқты сілтілі металдар және т.б. жатады. Шамамен 15-ке жуық
элемент ( металдар ), мысылы, магний, кадмий, цинк және т.б. гексогоналды
қарапайым ұяшықтардан түзілген кристалдар тобын құрайды.
Кейбір химиялық элементтердің атомдары, бір-бірінен қасиеттері
мүлдем бөлек, кеңістік кристалдық торлар түзе алады. Мысалы, көміртегінің
бір түрі – графит атомдары гексагоналды призмалық кристалдық тор түзеді.
Оның кристалы жазық паралель қабаттардан тұрады және олардың ара қашықтығы
атом аралық қашықтықтан (10-12м) 2-3 дәреже есе артық болады. Сондықтан,
графитті құрайтын қабаттар бірінен-бірі оңай ажыратылады деп есептеледі.
Көміртектің екінші түрі – алмастың кристалдық құрылымы, бүйір центрленген
екі, бірімен-бірін салыстырғанда, кубтың диалогының 0,25 бөлігіне ығысқан,
кристалдық тор тузеді. Осының нәтижесінде, көміртектің әрбір атомы, одан
бірдей қашықтықтағы төрт атоммен қоршалады. Алмас өте берік кристалл болып
табылады[3].
Жартылай өткізгіш металдардың, кремний мен германийдің
құрылымдарыда алмасқа ұқсаған. Мұз бес түрлі кристалдық тор арқылы
түзіледі. Әртүрлі физикалық қасиетке ие бола алатын, бір құрамды заттардың,
бірнеше кристалдық пішін алу қасиеті полиморфизм деп аталады. Кристалл
денелердегі, кеңістік тор түйіндерінің дұрыс, ретті түрде қайталанып отыруы
және кез-келген қашықтықта сақталуы, оларда алыс тәртіптілік орын алатынын
бірден бір мысалы болып табылады.
1. 2 Кристалдық торлардың түрлері
Кристалдық тордың базисіндегі бөлшектердің орналасуы, олардың
табиғаты мен өзара әсерінің сипатына тығыз байланысты. Бірақ, барлық
жағдайда, кеңістік тордың түйіндеріндегі бөлшектер, өзара әсерлесу
энергиясыең кіші мәнге ие болатыпдай шартта жайғасады. Кристалдық тордың
түйіндеріндегі молекулалардың өзара әсерлесу энергиясының, олардың
арақашықтығына тәуелділігі төмендегі суретте келтірілген. Е – молекуланың,
тербелмелі қозғалысының кинетикалық және өзара әсерінің потенциалдық
энергияларының қосындысыннан тқратын, толық энергиясы.
Егер, көрші молекулалардың әсерлесуі кезіндегі центрлерінің ең жақын
арақашықтығы келесі қашықтықтан үлкен болса, молекулалардың арасындағы
тартылыс күштері басым және олардың жалпы потенциалдық энергиясы теріс. Ал
кері жағдайда, яғни, молакулалар біріне – бірі жақындаған сайын олардың
арасындағы тербеліс күштері – оң күштер арта бастайды және потенциалдық
энергиялары жоғарлайды. Көбінесе бұл тербеліс күштері электрондар емес атом
ядроларының есебінен пайда болады. Екі молекуланың арақышықтығы теңелгенде
олардың жалпы потенциалдық энергиясы минимум болады, яғни, молекулалардың
арасындағы тербеліс және тартылыс күштері теңеледі.
Жалпы, атомдар мен молекулалардың арасындағы әсерлесу күштері,
гравитациялық және магниттік күштердің өте аздығына байланысты, таза
электрлік деп саналады. Кристалдық тордың түйіндеріндегі атомдардың
арасындағы химиялық байланыс энергиясы, олардың сыртқы қабаттарындағы
валенттілік электрондардың есебінен жүзеге асады.
Бұл химиялық байланыс энергиясының мөлшері электростатикалық
байланыс энергиясымен шамалас, яғни, 10-10 дж. екендігі білінеді.
Периодтық жүйеде элементтер , олардың атомдарындағы электрондар мен
ядролардың әсерлесу сипатына сәйкес, екі топқа бөінеді. Бірінші топқа
сыртқы валенттік электрондары өзінің ядросымен әлсіз байланысқан
элементтер, мысалы, сілтілі металдар ( натрий, калий жане т.б.) жатады.
Бұлар валенттілік электрондарынан оңай айырылып, оң иондарға
айналады.Электронды атомнан жұлып алуға тең энергия байланыс энергиясы деп
аталады жане ол электронвольтпен (эВ) өлшенеді. Бір электронвольт (эВ),
бір вольт потенциал айырымын өткендегі, электронның қабылдайтын
энергиясына тең:
Е=1,6*10-19Кл *1В=1,6*10-19 Дж.
Бұл жерде е = -1.6*10-19Кл – электронның заряды. Сілтілік металдар
үшін ионизациялау патенциалы 3-тен 5 эВ шамасында, сутек Н2 үшін біршама
жоғары, 13.2 эВ, ал инертті газдарда ол 25 эВ- қа дейін жетеді.
Екінші топқа сыртқы валенттік электрондар саны төрттен асатын
элементтер (фтор F, хлор Cl жане т.б.) жатады. Энергетикалық тұрғыда,
оларға басқа электрондар қосып алып, толық 8- электронды қабат түзген
тиімдірек. Сондықтан, бұлар теріс иондар түзеді. Электронды қосып алу
энергиясы ең жоғары элементтер галоидтар. Мысалы, фтор да ол 4,1 эВ, хлорда
-3,7 эВ, ал иодта – 3,3. Сілтілік металдар үшін, электронды өзіне қосып алу
энергиясы біршама төмен, мысалы, натрий үшін ол 0,2 эВ, ал литийде -0,5 эВ
және т.с.с.
Жалпы кристалдарда, өзара әсерлесу сипатына сәйкес,бір бөлшекке
келетін байланыс энергиясы 0,1 –ден 7 эВ аралығында өзгеріп отырады. Бұл
энергия кристалдан электронды бөліп алу жұмысының мөлшерін көрсетеді.
Кристалдар, өздерін құрайтын бөлшектердің табиғатына және олардың өзара
әсерлесу сипатына байланысты төрт құрлымды түрге бөлінеді: иондық,
атомдық, металдық, молекулалық[1].
1. Иондық кристалдар. Мұндай кристалдардың кеңістік торларының
түйіндерінде оң иондар мен теріс иондар кезектесе орналасады . Олардың
арасындағы әсерлесу күштерінің табиғаты электростатикалық, сондықтан иондық
кристалдарды құрайтын бөлшектердің арасындағы әсерлесу күштері, Кулон
заңына сәйкес, ара қашықтықтарының квадратына кері пропорционал түрде
өзгереді. Осы, аттас емес зарядталған иондардың арасындағы,
электростатикалық тартылыс күштерінің әсерінен жүзеге асатын байланыс,
иондық байланыс деп аталады. Мұндай байланыстар, бір немесе бірнеше
валенттік электронның бір атомнан екіншісіне ауысуы нәтижесінде пайда
болады . Сондықтан, біртекті химялық элементтердің арасында мұндай байланыс
жүзеге аспайды, себебі, бұл кезде, олардың атомдарының барлығы өзіне
электрондар қосып алады немесе электрондарын береді, яғни, оларда қарама-
қарсы зарядталған иондар пайда бола алмайды.
Иондық кристалдар, валенттік электрондарының байланыс энергияларының
айырмашылығы мол, химиялық табиғаты әртекті атомдардың түзілуінен пайда
болады. Сондықтан, иондық байланысты, көп ретте, гетерополяр лы байланыс
деп атайды. Мұндай кристалдардағы иондардың өзара байланыс энергиясы
шамамен 105106 Джмоль.
Иондық кристалдың мысалы ретінде ас тұзын (NaCl) қарастыруға болады.
Мұнда натрийдің бейтарап атомының валенттік электронының саны 1-ге, ал
хлордыкі -7-ге тең. Кристаллизациялану процесінде натрий атомы өзінің
валенттік электроның хлор атомына беріп, оң ионға (Na+), ал хлор атомы,
электрон қосып алғандықтан, теріс зарядталған ионға (Cl-) айналады. Сөйтіп
олардың арасында күшті гетерополярлы байланыс орнайды.
Химияда, тұздар деп аталатын көптеген заттар иондық кристалдар
қатарына жатады. Бұл кристалдардың балқу температурасының жоғарылығы және
қыздыру кезіндегі көлем өзгерістерінің аздығы, олардағы иондық байланыстың
өте берік болатының білдіреді. Кристалл түзілген иондардың заряды өскен
сайын, олардың балқу температурасы жоғарылай береді. Мысалы, жоғарыда
айтылған ас тұзы кристалының балқу температурасы 1073 К, КCl кристалы үшін
1063 К, ал CaO кристалы 2843 К температурада балқиды.
2. Металдық кристалдар. Мұндай заттардың кристалдық кеністік
торларының түйіндерінде оң иондар орналасады. Олардың арасында атомдарынан
босаған валенттік электрондар еркін қозғалып жүреді. Электрондық газ,
жалғыз атомның меншігі емес, бүкіл металға жатады. Осы бүкіл металға ортақ
валенттік электрондар, кеңістік тордың түйіндеріндегі оң иондарды, бір-
біріне жақын күйде, біріктіріп ұстап тұрады. Металдық кристалдың кеңістік
торларының түйіндеріндегі оң иондардың байланыс энергиясы 104 105 Джмоль
шамаларға жетеді.
Металдық кристалдарда, иондардың өзара байланысын бұзбай, едәуір
қашықтыққа ығысу мүмкіндігі бар. Бұл ерекшелік металдардың иілгіштік
қасиетін жақсы түсіндіреді. Электрондардың бүкіл кристалдық жүйемен
байланысты, термоэлектрондық эмиссия немесе фотоэффект құбылыстарының
көмегімен анықталатын, электронның металл бетінен шығу жұмысымен
сипатталады. Металдардың балқу және қайнау температураларының жоғарылығы,
механикалық әсерлерге шыдамдылығы, олардың атомдарының берік байланысының
дәлелі. Ал металдарда электрондық газдың болуы, олардың электр және жылу
өткізкізгіштіктерінің аса жоғары екендігінің кепілі.
3. Атомдық кристалдар. Олардың түйіндерінде бейтарап атомдар
орналасады. Бұл кристалдың кеңістік торларындағы байланыс, олардың көрші
атомдарында ортақ электрондардың болуымен жүзеге асады. Мұндай байланыс
ковалентті немесе гомеополярлы деп аталады. Бұларда, сыртқы валенттік
электрондарын ортақтастырған атомдар арасында, зор тартылыс күштері пайда
болады. Мысалы, алмастын германийдің, кремнийдің және т.б. сыртқы 4,
валенттік электрондары коваленттік байланыс құруға қатысады. Бұл
кристалдардың, кеңістік торларының түйіндеріндегі, атомдардың арасындағы
байланыс энергиялары 105106 Джмоль. Алмас пен кремнийдің өте беріктілігі
және балқу температураларының жоғары болуы, гомеополярлы байланыстың аса
мықтылығын дәлелдейді. Атомдық кристалдар морт сынғыш келеді, себебі,
ковалентті байланыс, атомдардың өзара байланысы бұзылмай, бір –біріне
сәйкес, ығысуына жол бермейді.
4. Молекулалық кристалдар .Бұлардағы кеңістік торлардың түйіндерінде
белгілі түрде бағытталған молекулалар орналасады. Ал олардың арасындағы
молекула аралық байланыс Вандер-Ваальс күштерінің есебінен жүзеге асады.
Молекулалық кристалдарды құрайтын молекулалардың арасындағы байланыс
энергиялары онша жоғары болмайды, шамамен 103104 Джмоль. Молекулалық
кристалдарға бір атомды инертті газдар, сутек, оттек, азот сияқты екі
атомдыгаздар, парафиннің көп атомды молекулалары және тағы басқа
органикалық қосылыстар жатады.
Көптеген элементтерде, түгелдей толмаған электрондық қабаттар
арасындағы өзара әсерлесу күштері үлкен рөл атқарады. Бірақ, түгелдей
толған электрондық қабаттардан тұратын инертті газ атомдарының арасында да,
Ван-дер- Ваальс тартылыс күштеріне жататын, аздаған әсерлесу күштері
байқалады. Мұның себебі, индукцияланған электрлік диполдарының пайда
болуының салдары болса керек.
Толған электрондық қабатпен қоршалған атомның оң зарядты ядросы,
тұрақты диполдық электрлік моменті жоқ, сфералық симметриялы жүйе түзеді.
Бірақ, электронның ядроны айнала қозғаллуының есебінен, симметрия әлсін-
әлсін бұзылып, диполдық моменттердің пайда болуын қамтамасыз етеді. Бұл
күштер заттардың оптикалық қасиеттеріне әсерін тигізетін болғандықтан,
дисперсиялық күштер деп аталған. Молекулалық кристалдың балқу
температурасының төмендігі, жұмсақтығы, күшті сығылғыштығы және жылулық
ұлғаю коэффициентінің жоғарылығы, оларды құрайтын молекулалардың арасындағы
байланыстардың өте әлсіз екендігінің айқын дәлелі болып табылады. Бұл
айтылған байланыстардан бөлек, аралас байланысты кристалдарда түзілуі
мүмкін. Кристалдарды құрайтын бөлшектердің әсерлесу күштерінің көптігі,
олардың арасындағы байланыстардың да әртүрлі екендігі, кристалдар
құрылымының, құрылысының өте күрделі болатындығын білдіреді.
1. 5 Кристалдардың механикалық қасиеттері
Кристалл денелер, сырқы күштердің әсерінен, көлемін де, пішінін де
өзгертеді, яғни, деформацияланады. Деформациялану деп, механикалық сыртқы
әсердің нәтижесінде, денені құрайтын бөлшектердің ара қашықтығының өзгеруі
және олардың өзара реттілігінің, тәртіптерінің бұзылуы айтылады. Қатты
денедегі деформация, сырқы күштің әсері тоқтағанда түгелдей жоғалатын
болса, серпімді, ал қайсібір бөлігі сақталатын болса, пластикалық деп
аталады. Түсірілген күштің көптігіне немесе аздығына сәйкес,
кристалдардағы деформациялар серпімді немесе пластикалық бола алады. Егер,
түсірілген күштің мәні аз болса, барлық денелер серпімді деформацияланады.
Осындай деформацияларды қарастырайық.
Қатты денелердегі бөлшектердің өзара орналасуы мен
арақашықтықтарының өзгерісі, деформацияға дейінгі орын алған теңдікті
бұзатын, ішкі күштерді тудырады. Серпімді деформацияда күштің әсері
жойылса, дене бұрынғы қалпына қайта келеді. Бұдан, ішкі күштер сырқы
күштерге қарсы бағытталады және оған тең деген қарытынды жасалады.Дененің
жеке бөлшектерінің арасындағы теңдікті бұзбайтын, олардың үдеуін
тудырмайтын деформациялар статикалық деп аталады[4].
Дененің деформациялануы дәрежесін бағалау үшін, абсолют және
салыстырмалы деформация ұғымдары енгізілген. Деформацияның абсолют мәні
денедегі процесті толық сипаттай алмайды. Мысалы, бірі 5см, екіншісі 50 см,
бірдей материалдан жасалған, сымды, күш түсіру арқылы 0,1 см-ге ұзартайық.
Бұл кезде қысқа сымға көп, ал ұзын сымға аз күш әсер етеді. Себебі, бірлік
ұзындыққа келетін деформация өзгерісінің бір-бірінен айырмашылығы 10 есе.
Сондықтан, деформацияны оның салыстырмалы мәнімен сипаттайды. Көлем немесе
ұзындық өзгерістерінің, олардың бастапқы мәндеріне қатынасы, салыстырмалы
деформация деп аталады:
, , (1.2)
мұндағы - салыстырмалы деформация,
- ұзындық және көлем өзгерістері, , - дененің бастапқы
ұзындығы мен көлемі, ал L, V – оның соңғы ұзындығымен көлемі.
Сыртқы күштің F әсерінен, денеде пайда болатын серпімді күш,
оның ішінде біршама кернеу тудырады. Егер күш F, өзіне перпендикуляркез-
келген ауданға S біркелкі әсер ететін болса, онда механикалық кернеу мына
формуламен анықталады:
(1.2а)
Кернеудің өлшем бірлігі
Біртекті материалдан жасалған дененің деформациялануын зерттеу
арқылы, тәжірибелерден алынған кернеу мен салыстырмалы дееформация
мәндерінің арасындағы тәуелділікті, график түрінде тағайындауға болады. Бұл
кезде ордината осьіне кернеудің ал абцисса осьіне салыстырмалы
деформацияның мәндері салынады. Тәжірибеде цилиндр тәріздес сымның
ұзаруы қарастырылған. Бастапқыда, аз күштердің тудыратын кернеуінде, ұзару
оған қатаң пропорционал түрде жүреді. Кернеудің мәні өскен сайын, олардың
арасындағы пропорционалдық бұзылады, бірақ серпімді деформация сақталады.
Себебі, бұл кезде күштің әсері тоқтаса, дененің ұзындығы бастапқы мәніне
қайта келеді. Ол сәйкескернеу серпімділік шегі деп аталады.
Кернеуді одан әрі өсіре беретін болса, деформация пластикалық
облысқа ауысады. Кернеу жоғалса, дене бұрыңғы қалпына қайта келмейді,онда
біршама деформация, яғни, қалдық деформация сақталады. Агыөтама бойынша
сәйкес нүкте пластикалық шек деп аталады. Пластикалық шектен соң аққыштық
облысы басталады. Бұл кезде кернеу өспейді, тұрақты сақталады, ал қатты
дене сұйық сияқты ағады. Бұдан соң денеде біршама қатаю байқалады, Осы
ензде кернеу беріктілік шегі деп аталады. Беріктілік шегіне тең
күштің әсерінен сым үзіледі.
Созылу және сығылу деформациялары, мөлшерлі түрде, Гук заңымен
сипатталады, яғни, салыстырмалы деформация механикаалық кернеуге тура
пропорционал:
, (1.3)
- деформация коэффициенті деп аталады. Бұған кері шама созылу
серпімділік модулі немесе Юнг модулі деп аталған:
E=. (1.4)
Осыны өрнекке қою арқылы Гук заңын мына түрге келтіріп
жазуға болады:
. (1.5)
формуладан серпімді деформация модулі (Юнг модулі), бірлік
деформация тудыратын кернеуге тең. Яғни, бұл кернеуде дененің ұзаруы, оның
ұзындығына тең(), яғни, дене екі есе ұзарады. Мысалы, болат үшін
Еб=2,1*105= 2,1*1011Па, (1.6)
алмас үшін
Еа=8*104= 8*1010Па (1.7)
Егер пластикалық деформацияланған денеден кернеу алынса, мысалы, С
нүктесінен, онда денеде ге тең қалдық салыстырмалы деформация
сақталады. Кернеу таңбасын өзгертулер, яғни, кері күшпен әсер ету арқылы,
серпімді деформация –гистерезис тұзағын алуға мүмкіндік
береді. Гистерезис тұзағының ауданы деформациялану кезіндегі механикалық
энергияның кемуіне тура пропорционал. Бұл энергия деформацияланған денеден
бөлінген жылу мөлшерін анықтайды[3].
Дене созылғанда, ол көлденең сығылады. Мысалы, резина түтікке
күміс жүзікті тығыз кигізіп, созатын болсақ, ол түьіктен өздігінен сырғып
түсетіні белгілі. Себебі, созылған резина түтік едәуір жіңішкереді. Олай
болса, дене созылған кездегі, оның көлденең өлшемдерінің салыстырмалы кемуі
мынадай формуламен анықталады:
, (1.8)
мұндағы - дененің диаметрі немесе көлденең өлшемдері, -
оның абсолют деформациясы. Тәжірибелерден, сыртқы күштің әсерінен дене
созылғанда. Оның көлденең өлшемдерінің салыстырмалы кемуі , сол
дененің салыстырмалы ұзаруына тура пропорционал өзгеретіндігі
анықталған:
=
. (1.9)
Пропорционалдық коэффициент Пуассон коэффициенті деп аталады.
Оның сан мәні әр түрлі материалдар үшін 0,25-тен 0,5 аралығында табылады.
Денелер біржақты сығылулар мен созылу деформацияларынан басқа,
жан-жақты созылу мен сығылу, бұралу, ығысу, иілу деформацияларына ұшырайды.
Бұлардың әрқайсысына тән өз деформациялық коэффициенттері мен модулдері
болады. Ығысу деформациясы денеге жанама кернеу түсіргенде пайда болады:
.
Мысалы, кубтың табанын еденге бекітіп, үстіңгі бетіне жанама кернеу
түсірсек, оның горизонталь қабаттары бір-бірімен салыстырғанда біршама
ығысып, бүйір қабырғалары вертикальмен бұрыш жасай орналасады. Осы
бұрышы дене ығысуының салыстырмалы деформациясы ретінде алынады. Олай
болса, Гук заңы бойынша
, (1.10)
мұнда - ығысу модулі. Ал оған кері шама ығысу коэффициенті
деп аталады. Ығысу деформациясында дененің көлемі өзгермейді.
Дененің деформациясы мен сипаттамаларының (модулдері мен
деформация коэффициенттерінің) арасындағы байланыстар мен тәуелділіктерді,
олардағы жүріп жатқан таза малекулалық процестерді қарастырмай-ақ,
зерттейтін механикалық негізгі саласының бірі, серпімділік теориясы деп
аталады. Бұл теорияның маңызды жетістігінің бірі, серпімділік және ығысу
модулдері мен Пуассон коэффициентінің арасындағы байланысты тағайындауы. Ол
төмендегідей формуламен өрнектеледі:
. (1.11)
Бұралу деформациясы ығысу деформациясының, ал иілу деформациясы
созылу немесе сығылу деформацияларының негізінде түсіндіріледі.
Кристалдардағы ақаулар
Нақты кристалдық торладың түйіндерінде орналасатын бөлшектердің
кеңістікте шексіз периодты түрде, белгілі тәртіппен қайталанып отыруын,
практикада жүзеге асыру мүмкін емес. Тек, кіші көлемдерде ғана, идеал,
дұрыс құрылымды монокристалл алуға болады.
Эксперименттік зерттеулер, реал кристалдардың кеңістік торларында
бөлшектердің ретсіз, периодты емес орналасуы, олардың жетіспеушілігі немесе
артып кетуі, бір-бірімен салыстырғанда ығыса орналасуы және тағы басқа да
макроскопиялық, микроскопиялық бұзылыстардың жиі кездесетінін көрсетеді.
Кеңістік торлардың құрылысы мен құрылымында орын алатын, осындай
кемшіліктер мен жетіспеушіліктер кристалдық ақаулар (дефекты) деп
аталады. Ақаулар қатты денелердің физикалық және химиялық қасиеттеріне
зор ықпалын тигізеді. Сондықтан, кристалдық денелер физикасында, мақсаты:
ақауларды жою, оларды болдырмау жолын табу және өндіріске қажет, арнайы
қасиеттерге ие кристалдарды өсіру, жасау болып табылатын, реттеу жұмыстары
маңызды рөл атқарады[1].
Кристалдық ақаулардың негізгі түрлерінің бірі нүктелік ақаулар.
Кеңістік тордағы бөлшектер өздерінің тепе-тең қалпына сәйкес нүктелерде
орналасқанымен, жылулық қозғалыстың нәтижесінде,үнемі тербелісте болады.
Сондықтан, олар қалыпты температуралардың өзінде, кез-келген мезетте атом
атом аралық қашықтықтың 10-15% жететін, ауытқуларға ұшырайды. Температура
жоғарылаған сайын тербелетін атомдардың саны да және тербеліс
амплитудалары да артады. Бұл біршама атомдардың өз орындарын тастап
кетуіне мүмкіндік туғызады, яғни, кеңістік тордың кейбір түйіндері
атомсыз қалады. Өз кезегінде бос орындар, кеңістік тордағы атомдардың
тепе-тең күйін бұзады, көрші атомдардың ығысуына ықпал етеді.
Нүктелік ақаудың екінші түріне, кейбір атомдардың кеңістік тордың
кез-келген жерінен орын алуы. Бұл кезде біріншіден түйін атомсыз
қалады, екіншіден, түйіндердің арасында олардың тепе-тең күйін
бұзатын, артық атом пайда болады. Нүктелік ақаудың тағы бір түрінде,
кеңістік торға басқа заттың атомының еніп кетуі. Мұндай қоспалы
ақаулар орын алғанда да, кеңістік тордағы атомдар орналасуының
реттілігі, тепе-тең күйі бұзылады.
Ақаулар кристалдың механикалық , жылулық, электрлік және т.б.
қасиеттерін қатты өзгертеді. Мысалы, қоспалы шала өткізгіштердің
электр өткізгіштігі, олардың таза күйіндегісінен әлдеқайда жоғары.
Кристалдың идеал құрылымының бұзылуы жеке нүктелерде ғана
емес, сызықтарды да, жазықтықтардыда алып жатуы мүмкін. Мұндай
ақаулар дислокациялар деп аталады.
Созылу деформациясының механизмі ығысу деформациясына ұқсас.
Себебі, цилиндр сымды үлкен күшпен созу кезінде, оның өн бойында
сырғанау жазықтықтары пайды болады да , оның жеке атомдары емес, толық
жазықтық топтары ығысады. Кейде винттік дислокация туралы айтылады.
Бұл кезде кристалдың белгілі бөлігінің атомдары, оның басқа бөлігіне
сәйкес ығысады, яғни, дислокация сызығының төңірегінде спираль,
тәріздес көлбеу пайда болады.
Дислокациялық ақауларды қоспалар енгізу арқылы нығайтады.
Жоғары температурада енгігізілген қоспа атомдары дислокациялық аймақтарда
топталады. Ал, температура төмендегенде, ол атомдардың қозғалғыштығы
кемиді, сөйтіп дислокацияның кристалл бойымен таралуына мүмкіндік
бермейді. Кейбір жағдайларда өте аз қоспаның өзі (шамамен 0,01%)
дислокациялық ақауды жақсы бекітетіні сонша, металл кристалдардың
беріктілігі, серпімділігі елеулі мәндерге артады[4].
Күй диаграммалары. Қатты денелерде де, сұйықтардағы сияқты, оның
бетін кез-келген температурада тастап кетуге энергиялары жеткілікті,
молекулалар мен атомдар болатыны тәжірибелер арқылы дәлелденген. Яғни,
қатты дене, сұйық күйге айналмай ақ, бірден газ тәрізді күйге ауыса
алады. Заттың, осы, қатты фазадан бірден газ тәрізді фазаға ауысу құбылысы,
сублимация деп атлады . Сублимация қатты дененің булануы. Ол, қатты және
газ тәрізді фаза мүмкін болатын , барлық қысымдар мен температураларда
жүзеге асады. Бұл құбылыс өте жақсы байқалатын қатты денелерге камфара,
нафталин және т.б. жатады.
Қатты денелер, қайсібір нақты температуралар мен қысымдарда, өзінің
буымен тепе-тең күйде бола алады. Бұл бу, сұйықтардағы сияқты, қаныққан су
деп аталады. Заттардың молекулалы-кинетикалық теориясы, жуық түрде,
сублимация нәтижесінде қатты дене бетін бірлік уақытта тастап кететін,
бөлшектердің массасын анықтауға мүмкіндік береді. ОЛл өрнек мына түрде
жазылады:
- сублимация коэффициенті, - қатты дененің қаныққан
буының қысымы, - оның бетінен, орта еркін жол ұзындығына тең
қашықтықтағы будың қысымы, R – әмбебап газ тұрақтысы, - қатты
дененің молярлық массасы, ал T – оның абсолют температурасы. Егер
заттардағы сублимация вакуумде жүрсе (=0), (7.23) теңдеу біршама
жеңілдейді. Бұл жағдай, эксперименттік әдістерде, көптеген кристалдардың
сублимация коэффициенттерін анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, осы әдіспен
табылған мұздың сублимация коэффициенті 0,5-тен 1-ге дейін өзгереді (-
400С), ал нафталин үшін 0,135-ке тең (400С).
Қатты дененің Т абсолют температурадағы бірлік массасын, осы
температурадағы буға айналдыруға керекті жылу мөлшері меншікті сублимация
жылуы деп аталады. Техникада сублимация құбылысы қатты денелерді әртүрлі
қоспалардан тазалау үшін кеңінен қолданады. Бұл әдісте, сублимациядан соң
қатты дененің буы тікелей кристалл пішінде тұндырылады.
Қысым мен температураның белгілі мәндерінде, заттар бір уақытта
қатты, сұйық және газ тәрізді фазаларда, динамикалық тепе-теңдік күйде бола
алады. Бұл күй қатты дене мен сұйық бетіндегі қаныққан будың қысымы
теңескенде орнайды. Егер сұық бетіндегі қаныққан бу қысымы кристалл
бетіндегі бу қысымынан артық болса, сұйық булана отырып конденсацияланады
да, бірден қатты денеге айналады. Ал, керісінше, кристалл бетіндегі
қаныққан бу қысымы жоғары болса, ол конденсациялана отырып сұйыққа
айналады.
Заттың күйін және ондағы жүріп жатқан фазалық ауысуларды көрнекі
сипаттау үшін күй диаграммаларын пайдаланған қолайлы. Олар қысым мен
температура байланысы болады. Себебі, заттың үш фазаның бірінде болу шарты
қысым мен температураның белгілі мәндерінде жүзеге асады.
Жоғарыда, өзінің қаныққан буымен жанасқан сұйық, оынмен динамикалық
тепе-теңдікте бола алатынын ескерткен едік. Бұл күй суретте АВ қисығымен
кескінделеді. Қисықтың өн бойына сәйкес температураларда, бірлік уақытта
буланатын молекулалар саны, сол уақыттағы конденсацияланатын молекулалар
ссанына тең. Ол қайнау сызығы деп аталады және ол сұйық пен будың
айыпмашылығы жоғалатын, кризистік темпертаураны сипаттайтын нүктеде
үзіледі.
Қайнау қисығының төменгі, жоғарғы температуралармен төменгі қысымдарға
сәйкес күйлер жағы, газ тәріздес фазаға жатады. Ал оның жоғарғы жағы сұйық
фазаны сипаттайды. Сұйық пен оның ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3
1. Қатты дененің құрылымы туралы жалпы түсінік
1.1 Қатты денелерге жалпы түсінік ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
1.2 Кристалдық торлардың
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .14
1.3 Кристалдардың механикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...18
I.4 Сұйық
кристалдар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ...31
2 Қатты дене физикасы
2. 1 Қатты денелердегі деформация
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..35
2. 2 Қатты денелердің балқуы және
кристалдануы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2. 3 Пластиқалық және
морттық ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...44
2. 4 Қатты денелердің жылулық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ..45
2.5 Қатты дене қасиеті тақырыбына өткізілген сабақ
үлгісі ... ... ... ... ... ...50
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..58
Қолданылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... 61
Кіріспе
Қатты дене физикасы – өндірістің ғылыми негіздерінің бірі болып
саналады. Сондықтан қатты дене қасиеттерін тереңірек оқыту қазіргі өмір
талабы болып табылады.
Зерттеу жұмысының өзектілігі Қатты денелердің құрылымы құрылысына
тоқатала отырып олардың физикалық қасиеттерін ашып көрсету. Қатты дененің
қасиеттерін білу тек қана физикада ғана емес сонымен қатар техникада,
өндірісте де маңызды екенін ашып көрсету.
Зерттеудің ғылыми жаңалығы мен теориялық маңыздылығы Біз қатты дене
— жер шарының бетінде, қатты денелерден салынған құрылыстарда — үйлерде
өмір сүріп жатырмыз. Біздің денеміздің кұрамында шамамен 65% су болғанның
өзінде (мыйда — 80%) ол қатты денеге жатады. Еңбек құралдары, машиналар да
катты денелерден жасалған. Қатты денелердің қасиеттерін білу тіршілік үшін
кажет. Заттарды құрайтын малекулалардың кинетикалық энергияларының,
олардың өзара әсерінің потенциялдық энергияларымен салыстырғанда кеміп
кетуі, қатты денелердің пайда болуына әкеледі. Олар, сұйықтар сияқты,
көлемі ғана емес пішінін де сақтай алады. Заттың қатты күйі кристалл және
аморф денелер болып екі түрге бөлінеді. Жалпы өндірісте кез –келген заттың
құрылысын білуіміз керек. Заттың құрылысын анықтамай біз олардың тұрмыстағы
талаптарға қолданылуын анықтай алмаймыз. Міне сондықтан қатты дененің
қасиетерінің маңыздылығы осында деп білемін. Міне осы айтылғандарды ескере
отырып құатты денелердің физикадағы, тіршіліктегі маңызын қарастырамыз.
Зерттеудің практикалық маңыздылығы Дипломдық жұмысты жазу барысында
жинақталған материалдар болашақта физика пәнінің мұғалімдеріне өзінің
пайдасын тигізері сөзсіз. Бұл жұмыста заттардың молекулалық құрылымын аша
отырып қатты денелердің негізгі қасиеттерін сипаттадым. Бұл жұмысым
болашақта мектеп мұғалімі ретінде өзімнің көмекші құралым болатынына
сенімдімін.
Зерттеудің мақсаты − Қатты денелердің қасиеттерін ашып олардың
физикалық табиғатын түсіну. Әр түрлі мысалдар келтіре отырып қатты
денелерге толық мағлұмат беріп, олардың қолдану салаларын қарастыру.
Зерттеу обьектісі – табиғатта кездесетін қатты денелер.
Зерттеу болжамы – Қатты денелер физикасы, қатты денелерде болатын
деформация түрлері қатты дене деформациясы, созылу деформациясы, ығысу
деформациясы тақырыптарын аша отырып қатты денелердің физикалық табиғатын
түсіндіру. Осы мақсатқа жету және ұсынылған болжамның дұрыстығын тексеру
үшін мынандай зерттеу міндеттері анықталды:
− зерттеу тақырыбы бойынша заттардың молекулалық құрылымына талдау
жасау.
− мысалдар келтіре отырып, табиғатта кездесетін заттардың
қасиеттерін сипаттай отырып оқушылардың физикаға қызығушылығын арттырудың
әдістемелік негізін айқындау.
− Дипломдық жұмысты жазу барысында келтірілген материалдардың
мазмұнына талдау жасау және тіршіліктегі қатты денелерге мысалдар келтіре
отырып негізгі қасиеттерін, айырмашылықтарын айқындау.
Зерттеу жұмысының практикалық базасы: Ы.Алтынсарин атындағы Арқалық
мемлекеттік педагогикалық институты, институттың ақпаратты технологиялық
кітапхана кешені.
Дипломдық жұмыстың құрылымы кіріспеден, екі тараудан, қорытындылар
мен пайдаланған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1. 1 Қатты денелерге жалпы түсінік
Біз қатты дене — жер шарының бетінде, қатты денелерден салынған
құрылыстарда — үйлерде өмір сүріп жатырмыз. Біздің денеміздің кұрамында
шамамен 65% су болғанның өзінде (мыйда — 80%) ол қатты денеге жатады.
Еңбек құралдары, машиналар да катты денелерден жасалған. Қатты денелердің
қасиеттерін білу тіршілік үшін кажет.
Заттарды құрайтын малекулалардың кинетикалық энергияларының, олардың
өзара әсерінің потенциялдық энергияларымен салыстырғанда кеміп кетуі, қатты
денелердің пайда болуына әкеледі. Олар, сұйықтар сияқты, көлемі ғана емес
пішінін де сақтай алады. Заттың қатты күйі кристалл және аморф денелер
болып екі түрге бөлінеді.
Физикада, тек кристалдық денелерді ғана, қатты денелер деп аталады.
Аморф денелердің кристалдық құрылымы болмайды, сондықтан, оларды қатты күй
ала алғанымен, өте тұтқыр сұйықтар ретінде қарастырылады. Аморф денелердің
тек жақын атомдары ғана, сұйықтардағы сияқты, белгілі бір заңдылықпен
орналасады яғни жақын тәртіптілікпен. Оларға шыны шайыр, әртүрлі
пластмассалар және т.б. жатады. Теориялық тұрғыда аморф денелердің
қасиеттерін, олардың қалай дайындалғанына байланысты өзгеріп отыратын
болғандықтан, сипаттау өте күрделі. Аморфты денелердің физикалық қасиеттері
барлық бағыттарда бірдей: олар изотропты. Аморф денелер тұақты пішінге ие
емес, олардың белгілі балқу нүктесі болмайды және температурасы өскен
сайын, жұмсара отырып тұтқырлығын кемітеді де, сұйық күйге айналады. Кейбір
қатты заттар (күкірт, қант, кварц және т.б.) кристалл күйде де, аморф күйде
де бола алады.
Кристалдар – атомдары мен молекулалары кеңістікте белгілі
реттілікпен орналасып, құрылым түзетін – қатты денелер. Кристалдардың бұл
ерекшелігі, олардың жоғарғы температуралардағы және электромагниттік
өріспен әсерлесуі кезіндегі қасиеттерін болжауға, сипаттауға мүмкіндік
береді. Сондықтан кристалдар физикасы жақсы дамыған. Кристалдар тұрақты
пішінге ие, олардың физикалық қасиеттері электр өткізгіштігі, серпімділігі,
жылу өткізгіштігі, сыну көрсеткіші және т.б. алынған бағыттарға байланысты
өзгеріп отырады, яғни – анизотропты. Кристалдардың өздерінің табиғатына
байланысты тұрақты балқу температурасы болады[1].
Кристалдар-монокристалдар және поликристалдар болып екіге бөлінеді.
Егер қатты денелер пішіні бірдей ірі кристалдардан құралатын болса, оны
монокристалл деп аталады. Табиғатта тау хрусталы сияқты ірі монокристалдар
болады. Әртүрлі заттардың жеке монокристалдары, жасанды түрде,
лабораторияларда өсіріледі.
Ал, біріне-бірі ілінсе өскен өте ұсақ кристалдардан құралатын қатты
денелер, поликристалдар деп аталады. Барлық металлдар поликристалдарға
жатады. Бірақ олардың қасиеттері анизотропты емес, себебі, оларды құрайтын
ұсақ кристалдар ретсіз, бейберекет орналасады. Сондықтан, дене көлемі,
оларды құрайтын жекелеген кристалдардың көлемінен әлдеқайда үлкен болса,
онда дененің ішіндегі барлық бағыт біркелкі деп саналады да, оның қасиеті
алынған бағытқа тәуелсіз болып шығады. Қайсыбір жағдайларда, аморф денелер
қатты денелерге айналады мысалы, мыс, ескі шыны, пластикалы күкірт және
т.б. Бұдан заттың кристалдық күйі, аморфты күйіне қарағанда, орнықты болады
деген қорытынды жасалады.
Кристалл және аморф денелер
Қатты денелер өздерінің физикалық қасиеттеріне байланысты бір
–бірінен өте үлкен айырмашылықтары бар екі топқа, атап айтқанда:
1. кристалл денелер
2. аморф денелер болып бөлінеді.
Заттың кристал күйінің негізгі белгісі оның анизатропиялығы болып
табылады. Қатты денелер сұйықтар сияқты өзінің көлемін ғана сақтап
қоймайды, сонымен бірге пішінін де сақтайды деп жоғарыда айтып өткенбіз.
Олар негізінен кристалл күйде болады. Кристалдар — атомдары немесе
молекулалары кеңістікте белгілі орын алып, реттеліп орналасқан қатты
денелер. Кристалдың сыртқы пішінінің дұрыс болып келуі де осыған
байланысты. Мысалы, кәдімгі ас түзы түйіршігінің бір-бірімен тік бұрыш
жасап түрған жазық жақтары бар (1-сурет), Мұны лупа арқылы ас
тұзын қарап байқауға болады. Ал қар қырауының пішіні геометриялық жағынан
қандай дұрыс десеңізші! Мұнда да кристалл катты дененің —мұздың ішкі
құрылысының геометриялык дұрыстығы бейнеленген (2-сурет).
Сурет 1. Кәдімгі ас түзы түйіршігі
Сурет 2. Тұздың ішкі құрылысының геометриялык дұрыстығы
Кристалдар анизотропиясы. Бірақ сыртқы пішіні дұрыс болып келуі
кристалдың реттелген құрылысының жалғыз ғана, тіпті ең басты салдары бола
алмайды. Бастысы — физикалық қасиеттердіц кристалда таңдалып алынған
бағытқа тәуелділігі. Ең алдымен, кристалдың механикалық беріктігінің әр
түрлі бағытта түрліше болатыны көзге түседі. Кесек слюданы бір бағытта жұқа
пластиналарға оңай ажыратуға болады. Бірақ оны пластиналарға перпендикуляр
болатын бағытта жарып бөлу әлдеқайда қиын. Сондай-ақ, графит кристалы
қабаттарын да бір бағытта оңай ажыратуға болады. Қарындашпен жазған кезде,
графит кабаттары осылай үздіксіз ажыратылады да, оның жұқа қабаттары қағаз
бетінде қалып отырады, Бұлай болу себебі — графиттің кристалл торыньң
кұрылымының қат-кабаты болуына байланысты. Қабаттар көміртегі атомдарынан
тұратын параллель жазық торлар катарынан түзілген. Атомдар дұрыс
алтыбұрыштардың төбелерінде орналасқан. Қабаттың ара қашықтықтары біршама
алшақ: алтыбұрыш кабырғасының ұзындығына қарағанда шамамен екі есе артык.
Сондықтан әр кабаттың өзінің ішіндегі байланыстан гөрі, кабаттардың өзара
байланысы нашарлау болады.
Көптеген кристалдар жылуды және электр тогын әр түрлі бағыттарда
түрліше өткізеді. Кристалдардың оптикалық қасиеттері де бағытқа тәуелді.
Мысалы, кварц кристалы оған түсетін сәуленің бағытына қарай жарықты түрліше
сындырады.
Физикалық қасиеттердіц кристалл ішіндегі бағыттарға тәуелділігі
анизотропия деп аталады. Барлык кристалл денелер анизотропты[1].
Монокристалдар және поликристалдар.
Металдардың құрылымы кристалдық болып келеді. Сондықтан да, қазіргі
кезде еңбек құралдарын, түрлі машиналар мен механизмдерді жасау үшін
негізінен металдар пайдаланылады.
Егер едәуір бір металл кесегін алсақ, онда онын, кристалдық құрылымы
не сыртқы пішінінен, не оның физикалық касиеттерінен бірден көзге түсіп,
білінбейді. Әдеттегі күйде металдарда анизотропия байқалмайды.
Бұл жерде мәселе, кәдімгі металл бір- бірімен тұтасып бітіскен өте
көп ұсақ. кристалдардан тұратынында болып отыр. Металдың әсіресе, жаңа
сынған жерін микроскоп немесе тіпті лупа арқылы қарап, оларды көру қиынға
сокпайды. Әр түрлі бағытқа қарай кристалдың касиеттері түрліше болады,
бірақ бұл майда кристалдар бір- біріне қатысты бейберекет бағдарланған.
Осының нәтижесінде жеке бір кристалдың көлеміне карағанда анағұрлым үлкен
көлемдегі металдың ішіндегі барлық бағыттар тең түседі де, олардын
қасиеттері барлық бағыт бойынша бірдей болады.
Саны көп майда кристалдардан тұратын қатты денені пали-кристалл дене
деп атайды. Жекелеген кристалдарды монокристалдар деп атайды.
Аса мұқияттылықты сақтай отырып, өлшемі үлкен металл кристалын —
монокристалды өсіріп алуға болады. Әдеттегі жағдайларда поликристалл
денелердің түзілу себебі — көптеген кристалдардың өсуі олар бір- біріне
жақындап, тиіскен кезіне дейін жалғаса береді де, осының нәтижесінде бір
тұтас дене түзіледі.
Поликристалл денелерге металдар ғана жатпайды. Мысалы, кесек қанттың
да құрылымы поликристал болады.
Кристалл денелердің көпшілігі өзара бітіскен көптеген кристалдардан
түзілгендіктен поликристалдарра жа-тады. Жеке кристалдар —
монокристалдардың геомет-риялық пішіндері дүрыс және олардың әр барыттары
қасиеттері-де әр түрлі болады (анизотропты).
Аморф денелер
Қатты денелердің барлығын кристалл денелерге жатқызуға болмайды.
Қөптеген аморф денелер де бар.
Сурет 3. Аморфтық дене бөлшектерінің орналасуы
Аморф денелерде атомдардың дәлмедәл ретті орналасуы жоқ. Тек жақын
көрші атомдар — белгілі бір ретпен орналасады. Бірақ кристалдарға тән
құрылымның кандай да бір элементінің барлық бағытта дәлме-дәл қайталануы
аморф (3-сурет) денелерде болмайды.
Сурет 3а. Аморфтық дене бөлшектерінің орналасуы
Көпшілік жағдайда бір заттың өзі кристалдық күйде де, аморф күйде де
бола алады. Мысалы, кварц SiO2 кристалды түрде және аморфты түрде
(кремнезем) бола алады. Схема түрінде кварцтың кристалдық түрін дұрыс
алтыбұрыштардан тұратын тор деп қарастыруға болады. (3а -сурет).
Кварцтың аморфты құрылымы да тор тәрізді, бірақ дұрыс пішінді
емес.(3а- сурет)
Онда алтыбұрыштармен қатар, бесбұрыштар және жетібұрыштар кездеседі
(3а-сурет).
Аморф денелердің қасиеті.
Барлық аморф денелер изотропты, олардың физикалық касиеттері барлық
бағытта бірдей. Аморф денелерге шыны, көптеген пластмассалар, смола,
канифоль, қант мұздағы (мөлдір кәмпит) т. б. жатады.
Сырттан әсер еткенде аморф денелерде қатты денелердегі сияқты
серпінділік қасиеті және сұйықтағы сияқты аққыштық қасиеті де бір мезгілде
байқалады. Қысқа мерзімді әсерлерде (соққанда) олар қатты денелерге
ұқсайды, ал қатты соққанда кесектерге жарылады. Бірақ өте ұзақ уақыт әсер
еткенде аморф денелер ағады. Бұған ұзағырақ уақыт бақылау нәтижесінде көз
жеткізуге болады. Қатты орында жатқан бір кесек смоланы бақылаңдар. Смола
бірте-бірте қатты дене бетіне жайылады. Смоланың температурасы неғұрлым
жоғары болса, оньң жайылуы да соғұрлым тез болады.
Аморф денелердің атомдарының не молекулаларының отырықшылық
өмірінің сұйық молекулалары сияқты белгілі бір уакыты — тепе-теңдік
қалпының төңірегінде тербелу уақыты бар. Бірақ сұйықтарға қарағанда бұл
уақыт оларда мейлінше көп, Мысалы, вар үшін t= 20°С-ге сәйкес отырықшылық
өмірінің уақыты 0,1 с-қа тең.
Бұл жағынан карағанда аморф денелер кристалл денелерге жақын, себебі
атомдардың бір тепе-теңдік қалыптан екінші тепе-теңдік қалыпқа секіріп өтуі
сирек болып отырады.
Төменгі температураларда аморф денелер қасиеттері жағынан қатты
денелерге ұқсайды. Олардың аққыштығы жоктың қасы. Бірақ температура
жоғарылаған сайын біртіндеп жұмсара бастайды да, олардың қасиеттері бірте-
бірте сұйықтардың қасиеттеріне көбірек жақындай түседі. Бұлай болу себебі —
температураның артуына қарай атомдардың бір тепе-тендік қалыптан екіншіге
секіруі жиілене түседі. Кристалл денелерде аморф денелердің ерекшелігі —
оларда белгілі балқу температурасы жоқ[2].
Кристалдардың құрылымы
Қатты денелер теориясының негізі ретінде шексіз идаел монокирсталдың
моделі алынады. Мұндай монокристалда кіші құрылымдық бірлік, үш өлшемдік
кеністікте белгілі-бір заңдылыққа сүйенеіп қайталанып отырады. Бұл
көзқарас кристалдарды өсіру процестерін бақылауда, табиғаттағы
монокристалдардың пішіндерін және механикалық әсерлер кезіндегі
монокристалдардың бұзылуын зерттеулер нәтижесінде қалыптасады.
Макроскопиялық зерттеулер, кристалдарды өсіру процесінде, зат атомдарының
барлық бағыттарда біркелкі таралытындығын дәлелдейді. Кристалдың сыртқы
пішінінің реттілігі, берілген дене үшін оның тұрақтылығы, ондағы
атомдардың белгілі заңдылықпен орналасуымен түсіндіріледі. Оларда
атомдардың орналасу тәртіптілігі шексіз қашықтықтарда да өзгермейді, яғни,
құрылымында алыс тәртіптілік орын алған. Осы атомдар жайғасуының
симметриялығы және олардың өзара байланысының бағыттылығы кристалдардың
симметриялылығын түсіндіреді. Симметриялы кристалдар белгілі-бір осьпен
айналғанда, өз орнын ала алады, яғни, қайталанып отыратын бөліктерден және
өзінің айналық кескінімен сәйкес келетін оң, теріс фигуралар ала алады.
Денені өз орнына әкелетін әрекеттер – шағылулар, айналулар,
инверсиялар мен трансляциялар және тағы да басқа – симметриялық
операциялар деп аталады. Бұл операциялар кезінде, қатты денелерді құрайтын
атомдар мен молекулалардың ара қашықтықтары өзгермейді, олардың оңы мен
солы сақталады. Шағылу мен инверсияда дененің жобасы өзгереді, яғни, оңы
солына, ал солы оңына сәйкестенеді.
Барлық симметриялық операцияларды шағылуларға жаткызуға болады.
Шағылудың оң санында дененің пішіні өзгермейді, ал сол санында-өзгереді.
Симметриялық операциялар симметриялық элементтер арқылыт жүзеге асады. Оған
симметриялық осьтер,симметриялық жазықтықтар,симметриялық центрлер және
ауысу векторлары жатады.
Симметриялық деп, дене айналған кезде, оның бірдей пішіндері
белгілі-бір бұрылу бұрыштарында қайталанып отыратын, ось айтылады. Яғни,
дененің симметриялық осьінің саны, оның кеңістікте алатын орнында бос
қуыстардың жоқтығымен анықталады. Мысалы, кубты біріне-бірі қарама- қарсы
орналасқан қабырғаларынан өтетін ось арқылы айналдырып, бір айналымда, әр
900 сайын қайталанып отыратын 4 бірдей күй алынады. Мұндай ось төрт
дәрежелі симметриялық ось деп аталады. Ал цилиндрді құраушысына параллель
осьпен айналдыру, шексіз дәрежелі симметриялық ось алуға мүмкіндік береді.
Себебі, оны кез-келген бұрышқа бұру арқылы цилиндр алынады. Цилиндрді,
құраушысына перпендикуляр арқылы айналдыратын ось екінші дәрежелі
симметриялық ось деп аталады. Дене арқылы өтетін кез-келген түзу, бірінші
дәрежелі симметриялық ось деп аталады[2].
Егер кристалдағы мүмкін симметриялық осьтерге перпендикуляр
жазықтықтарда қарастырсақ, онда бұл жазықтықты:
а) үш дәрежелі симметриялық осьпен айналған тең қабырғалы
үшбұрыштар, әр 1200 бұрыш сайын айналып тұрады.
б) екі дәрежелі симметриялық осьі бар параллелограм өз осьімен, әр
1800 бұрышқа бұрылған сайын;
в) төрт дәрежелі сисмметриялық ось бар квадрат, өз осьімен әр 900-қа
бұрылған сайын айналады;
г) алты дәрежелі симметриялық ось бар алты бұрыш, өз осьімен әр 600-
қа бұрылған сайын толтыра алады. Кез-келген дене 3600-қа айналғанда бұрынғы
орнын қайта толтырады. Бұл бірінші дәрежелі симметриялық оське сәйкес
келеді. Басқа кез-келген бұрышқа айналу кеңістікті сол дененің толтыра
алмайтыны түсінікті. Сондықтан, жоғары симметриялық осьтер болмайды деп
саналады.
Қатты денелер физикасында, оны бір-бірінің айналы кескіні болып
табылатындай етіп, екіге бөлетін жазықтықты симметриялық жазықтық деп
атайды. Мысалы, дөңгелек түзу цилиндрді, оның осьі арқылы теңдей екіге
бөлетін, шексіз көп жазықтық жүргізуге болады. Ал, осы цилиндр қиғаш
кесілген болса, оның симметриялық жазықтығы, тек бірге тең болады. Жазықтық
арқылы жүргізілген түзуді, оның шеттерінен теңдей қашықтықтарға бөлетін
нүкте, осы жазықтықтың симметриялық центрі деп аталады.
Жазықтықты параллелограммның қабырғаларын, олардың ұзындықтарына
параллель ауыстыра отырып,толтыруға болады. Осындай операцияны, үшінші
қабырғасы паралелепепид үшінде жүзеге асыруға болады. Мұндай ауыстыруды
трансляция деп атаймыз. Трансляцияны жүзеге асыруға мүмкіндік беретін
векторлары ауысу векторлары деп аталады. Кристалл үш өлшемді құрылым.
Сондықтан, қарапайым қабырғалары параллелепипедті, өзіне параллель түрде,
барлық бағыттарда трансляциялау арқылы, кристалдық кеңістік тор деп
аталатын шексіз периодтты құрылымды алуға болады.
Атомдар, молекулалар, иондар орналасатын, осы параллелепипедтің
шыңдары, кристалдық кеңістік тордың түиіндері деп аталады. Ауыстыру
векторлары арқылы, үш өлшемді кеңістік кристалдық тор түзілетін,
параллелепипед элементар ұя деп аталады. Ең кіші көлемге ие элементар
ұяшық, түиіндерінде 8 бөлшек орналасқан параллелепипед, қарапайым ұяшық деп
аталады. Күрделі құрылымды заттардың элементар ұяшықтарының өн бойында
немесе қырларында қосымша түиіндер орналасады. Кеңістік кристалдық торды
сипаттау үшін, координата осьтерін параллелепипедтің жақтарымен, яғни,
ауысу немесе трансляция векторларымен сәйкестендіріп алады. Осы
векторларының модульдері кеңістік тордың қайталану периодттары болып
саналады. Қарапайым элементар ұяшықтың көлемі мөлшерлі түрде мына өрнек
арқылы анықталады:
V=abc
(1. 1)
Кеңістік тордың әрбір түйініне, базис деп аталған атомды, ионды
немесе молекуланы орналастыру арқылы кристалдық тор алынады. Олай болса,
жеке атомды, ионды, молекуланы немесе бөлшектер тобы базис деп аталады.
Басқаша айтқанда базис қарапайым элементар ұяшықтағы бөлшектер санымен
анықталады.
Кеңістік кристалдық торды сипаттау үшін, параллелепипедтің
қабырғаларының ұзындықтарынан басқа, олардың арасындағы бұрыштарда ,
, белгілі болуы тиіс. Осы ,, шамалары кеңістік
тордың параметрлері немесе тұрақтылары деп аталады. Қарапайым элементар
ұяшықтардан түзілетін, кез-келген кристалдық тордың түйіні мына вектормен
анықталады:
R=n1a+n2b+n3c,
бұл жерде n1, n2, n3 – сәйкес координата осьтеріндегі түйіндер саны.
Олар бүтін сандар және түйін символдары деп аталады. Сонымен, кристалды
өзіне өзі паралель ауыстыру операциясы трансляция деп, ал оған байланысты
симметрия трансляциялық симметрия деп аталады.
Үш өлшемді кеңістікті толтыратын элементар қарапайым ұяшықтар
саны шектеулі болатыны білінеді. Бірақ, олардың саны, қарапайым ұяшықтар
көлемінде немесе оның қабырғаларында орналасқан қосымша түйіндердің
есебінен, көбейетіні түсінікті.
Кристалдағы атомдардың белгілі тәртіппен орналасу заңдылықтарын
терең зерттеген француз ғалымы О. Бравэ. Осы ілімді ілгері дамытуға өз
үлестерін қосқан орыс кристаллографтары Е.С.Федоров, А.В.Гадолин және т.б.
кеңістік торды пішіндеріне байланысты саралаған ыңғайлы деп тұжырымдаған:
мысалы, куб, ромбоэдр, паралелепипед және т.б. Ал, олардың сұлбаларының
санын шектеу мақсатында, мынадай негізгі белгілер тағайындалған:
қабырғаларының арасындағы бұрыштар тік немесе тік емес, жақтары бір-біріне
тең немесе тең емес болады деп қарастырған. Осы белгілерге сәйкес
кристаллографияда барлық қарапайым кеңістік торлар жеті жүйеге
біріктіріледі. Олардың параметрлері 1-кестеде келтірілген.
1-кесте.
Кристалдардың параметрлері
№ Кристалдық жүйе Бұрыштар Ауысу
векторлары
1 Кубтық a=b=c
2 Тетрогоналды a=bc
3 Гексогоналды , a=bc
4 Тригоналды a=b=c
(ромбоэдрлі)
5 Ромбылық a
6 Моноклинді , a
7 Триклинді a
О. Бравэнің зерттеулері, күрделі торлары да 7 жүйеге біріктіруге
болатындығын дәлелдейді. Сонда, барлығы 14 түрлі кристалдық тор болатыны
анықталған. Оларды Бравэ торлары деп атайды. Кристалдық торлардың ішіндегі
ең симметриялысы кубтық тор. Оның екі күрделі түрі болады. Бірінде,
түйіндеріндегіден бөлек, кубтың ауырлық центрінде бір атом орналасады.
Ал, екіншісінде, оның алты қабырғасының центріндеде қосымша атомдар
орналасады. Осылардың екеуінде де кубтың симиетриясы бұзылмайды. Осы
сияқты, көлемді центрленген тетрогоналды; көлемді центрленген, базо
центрленген және бүйірлі центрленген ромбылық; базоцентрленген моноклинді
кеңістік торлардың күрделі ұяшықтары болатындығы белгілі.
Химиялық элементтердің басым көпшілігі қарапайым ұяшықтардан
түзілетін кристалдар болып табылады. Мысалы, 20 шақты элементтер кубтық
бүйірлі центрленген қарапайым ұяшықтардан түзілген кристалдар түзелетіні
белгілі. Оған көптеген металдар (Cu, Ag, Au, Al және т.б.) инертті
газдардың кристалдары ( Ar, Ne, Xn және т.б.) жатады. Онға жуық элементтер,
кристалдану нәтижесінде көлемді центрленген кубтық тор түзеді. Оған калий,
натрий сияқты сілтілі металдар және т.б. жатады. Шамамен 15-ке жуық
элемент ( металдар ), мысылы, магний, кадмий, цинк және т.б. гексогоналды
қарапайым ұяшықтардан түзілген кристалдар тобын құрайды.
Кейбір химиялық элементтердің атомдары, бір-бірінен қасиеттері
мүлдем бөлек, кеңістік кристалдық торлар түзе алады. Мысалы, көміртегінің
бір түрі – графит атомдары гексагоналды призмалық кристалдық тор түзеді.
Оның кристалы жазық паралель қабаттардан тұрады және олардың ара қашықтығы
атом аралық қашықтықтан (10-12м) 2-3 дәреже есе артық болады. Сондықтан,
графитті құрайтын қабаттар бірінен-бірі оңай ажыратылады деп есептеледі.
Көміртектің екінші түрі – алмастың кристалдық құрылымы, бүйір центрленген
екі, бірімен-бірін салыстырғанда, кубтың диалогының 0,25 бөлігіне ығысқан,
кристалдық тор тузеді. Осының нәтижесінде, көміртектің әрбір атомы, одан
бірдей қашықтықтағы төрт атоммен қоршалады. Алмас өте берік кристалл болып
табылады[3].
Жартылай өткізгіш металдардың, кремний мен германийдің
құрылымдарыда алмасқа ұқсаған. Мұз бес түрлі кристалдық тор арқылы
түзіледі. Әртүрлі физикалық қасиетке ие бола алатын, бір құрамды заттардың,
бірнеше кристалдық пішін алу қасиеті полиморфизм деп аталады. Кристалл
денелердегі, кеңістік тор түйіндерінің дұрыс, ретті түрде қайталанып отыруы
және кез-келген қашықтықта сақталуы, оларда алыс тәртіптілік орын алатынын
бірден бір мысалы болып табылады.
1. 2 Кристалдық торлардың түрлері
Кристалдық тордың базисіндегі бөлшектердің орналасуы, олардың
табиғаты мен өзара әсерінің сипатына тығыз байланысты. Бірақ, барлық
жағдайда, кеңістік тордың түйіндеріндегі бөлшектер, өзара әсерлесу
энергиясыең кіші мәнге ие болатыпдай шартта жайғасады. Кристалдық тордың
түйіндеріндегі молекулалардың өзара әсерлесу энергиясының, олардың
арақашықтығына тәуелділігі төмендегі суретте келтірілген. Е – молекуланың,
тербелмелі қозғалысының кинетикалық және өзара әсерінің потенциалдық
энергияларының қосындысыннан тқратын, толық энергиясы.
Егер, көрші молекулалардың әсерлесуі кезіндегі центрлерінің ең жақын
арақашықтығы келесі қашықтықтан үлкен болса, молекулалардың арасындағы
тартылыс күштері басым және олардың жалпы потенциалдық энергиясы теріс. Ал
кері жағдайда, яғни, молакулалар біріне – бірі жақындаған сайын олардың
арасындағы тербеліс күштері – оң күштер арта бастайды және потенциалдық
энергиялары жоғарлайды. Көбінесе бұл тербеліс күштері электрондар емес атом
ядроларының есебінен пайда болады. Екі молекуланың арақышықтығы теңелгенде
олардың жалпы потенциалдық энергиясы минимум болады, яғни, молекулалардың
арасындағы тербеліс және тартылыс күштері теңеледі.
Жалпы, атомдар мен молекулалардың арасындағы әсерлесу күштері,
гравитациялық және магниттік күштердің өте аздығына байланысты, таза
электрлік деп саналады. Кристалдық тордың түйіндеріндегі атомдардың
арасындағы химиялық байланыс энергиясы, олардың сыртқы қабаттарындағы
валенттілік электрондардың есебінен жүзеге асады.
Бұл химиялық байланыс энергиясының мөлшері электростатикалық
байланыс энергиясымен шамалас, яғни, 10-10 дж. екендігі білінеді.
Периодтық жүйеде элементтер , олардың атомдарындағы электрондар мен
ядролардың әсерлесу сипатына сәйкес, екі топқа бөінеді. Бірінші топқа
сыртқы валенттік электрондары өзінің ядросымен әлсіз байланысқан
элементтер, мысалы, сілтілі металдар ( натрий, калий жане т.б.) жатады.
Бұлар валенттілік электрондарынан оңай айырылып, оң иондарға
айналады.Электронды атомнан жұлып алуға тең энергия байланыс энергиясы деп
аталады жане ол электронвольтпен (эВ) өлшенеді. Бір электронвольт (эВ),
бір вольт потенциал айырымын өткендегі, электронның қабылдайтын
энергиясына тең:
Е=1,6*10-19Кл *1В=1,6*10-19 Дж.
Бұл жерде е = -1.6*10-19Кл – электронның заряды. Сілтілік металдар
үшін ионизациялау патенциалы 3-тен 5 эВ шамасында, сутек Н2 үшін біршама
жоғары, 13.2 эВ, ал инертті газдарда ол 25 эВ- қа дейін жетеді.
Екінші топқа сыртқы валенттік электрондар саны төрттен асатын
элементтер (фтор F, хлор Cl жане т.б.) жатады. Энергетикалық тұрғыда,
оларға басқа электрондар қосып алып, толық 8- электронды қабат түзген
тиімдірек. Сондықтан, бұлар теріс иондар түзеді. Электронды қосып алу
энергиясы ең жоғары элементтер галоидтар. Мысалы, фтор да ол 4,1 эВ, хлорда
-3,7 эВ, ал иодта – 3,3. Сілтілік металдар үшін, электронды өзіне қосып алу
энергиясы біршама төмен, мысалы, натрий үшін ол 0,2 эВ, ал литийде -0,5 эВ
және т.с.с.
Жалпы кристалдарда, өзара әсерлесу сипатына сәйкес,бір бөлшекке
келетін байланыс энергиясы 0,1 –ден 7 эВ аралығында өзгеріп отырады. Бұл
энергия кристалдан электронды бөліп алу жұмысының мөлшерін көрсетеді.
Кристалдар, өздерін құрайтын бөлшектердің табиғатына және олардың өзара
әсерлесу сипатына байланысты төрт құрлымды түрге бөлінеді: иондық,
атомдық, металдық, молекулалық[1].
1. Иондық кристалдар. Мұндай кристалдардың кеңістік торларының
түйіндерінде оң иондар мен теріс иондар кезектесе орналасады . Олардың
арасындағы әсерлесу күштерінің табиғаты электростатикалық, сондықтан иондық
кристалдарды құрайтын бөлшектердің арасындағы әсерлесу күштері, Кулон
заңына сәйкес, ара қашықтықтарының квадратына кері пропорционал түрде
өзгереді. Осы, аттас емес зарядталған иондардың арасындағы,
электростатикалық тартылыс күштерінің әсерінен жүзеге асатын байланыс,
иондық байланыс деп аталады. Мұндай байланыстар, бір немесе бірнеше
валенттік электронның бір атомнан екіншісіне ауысуы нәтижесінде пайда
болады . Сондықтан, біртекті химялық элементтердің арасында мұндай байланыс
жүзеге аспайды, себебі, бұл кезде, олардың атомдарының барлығы өзіне
электрондар қосып алады немесе электрондарын береді, яғни, оларда қарама-
қарсы зарядталған иондар пайда бола алмайды.
Иондық кристалдар, валенттік электрондарының байланыс энергияларының
айырмашылығы мол, химиялық табиғаты әртекті атомдардың түзілуінен пайда
болады. Сондықтан, иондық байланысты, көп ретте, гетерополяр лы байланыс
деп атайды. Мұндай кристалдардағы иондардың өзара байланыс энергиясы
шамамен 105106 Джмоль.
Иондық кристалдың мысалы ретінде ас тұзын (NaCl) қарастыруға болады.
Мұнда натрийдің бейтарап атомының валенттік электронының саны 1-ге, ал
хлордыкі -7-ге тең. Кристаллизациялану процесінде натрий атомы өзінің
валенттік электроның хлор атомына беріп, оң ионға (Na+), ал хлор атомы,
электрон қосып алғандықтан, теріс зарядталған ионға (Cl-) айналады. Сөйтіп
олардың арасында күшті гетерополярлы байланыс орнайды.
Химияда, тұздар деп аталатын көптеген заттар иондық кристалдар
қатарына жатады. Бұл кристалдардың балқу температурасының жоғарылығы және
қыздыру кезіндегі көлем өзгерістерінің аздығы, олардағы иондық байланыстың
өте берік болатының білдіреді. Кристалл түзілген иондардың заряды өскен
сайын, олардың балқу температурасы жоғарылай береді. Мысалы, жоғарыда
айтылған ас тұзы кристалының балқу температурасы 1073 К, КCl кристалы үшін
1063 К, ал CaO кристалы 2843 К температурада балқиды.
2. Металдық кристалдар. Мұндай заттардың кристалдық кеністік
торларының түйіндерінде оң иондар орналасады. Олардың арасында атомдарынан
босаған валенттік электрондар еркін қозғалып жүреді. Электрондық газ,
жалғыз атомның меншігі емес, бүкіл металға жатады. Осы бүкіл металға ортақ
валенттік электрондар, кеңістік тордың түйіндеріндегі оң иондарды, бір-
біріне жақын күйде, біріктіріп ұстап тұрады. Металдық кристалдың кеңістік
торларының түйіндеріндегі оң иондардың байланыс энергиясы 104 105 Джмоль
шамаларға жетеді.
Металдық кристалдарда, иондардың өзара байланысын бұзбай, едәуір
қашықтыққа ығысу мүмкіндігі бар. Бұл ерекшелік металдардың иілгіштік
қасиетін жақсы түсіндіреді. Электрондардың бүкіл кристалдық жүйемен
байланысты, термоэлектрондық эмиссия немесе фотоэффект құбылыстарының
көмегімен анықталатын, электронның металл бетінен шығу жұмысымен
сипатталады. Металдардың балқу және қайнау температураларының жоғарылығы,
механикалық әсерлерге шыдамдылығы, олардың атомдарының берік байланысының
дәлелі. Ал металдарда электрондық газдың болуы, олардың электр және жылу
өткізкізгіштіктерінің аса жоғары екендігінің кепілі.
3. Атомдық кристалдар. Олардың түйіндерінде бейтарап атомдар
орналасады. Бұл кристалдың кеңістік торларындағы байланыс, олардың көрші
атомдарында ортақ электрондардың болуымен жүзеге асады. Мұндай байланыс
ковалентті немесе гомеополярлы деп аталады. Бұларда, сыртқы валенттік
электрондарын ортақтастырған атомдар арасында, зор тартылыс күштері пайда
болады. Мысалы, алмастын германийдің, кремнийдің және т.б. сыртқы 4,
валенттік электрондары коваленттік байланыс құруға қатысады. Бұл
кристалдардың, кеңістік торларының түйіндеріндегі, атомдардың арасындағы
байланыс энергиялары 105106 Джмоль. Алмас пен кремнийдің өте беріктілігі
және балқу температураларының жоғары болуы, гомеополярлы байланыстың аса
мықтылығын дәлелдейді. Атомдық кристалдар морт сынғыш келеді, себебі,
ковалентті байланыс, атомдардың өзара байланысы бұзылмай, бір –біріне
сәйкес, ығысуына жол бермейді.
4. Молекулалық кристалдар .Бұлардағы кеңістік торлардың түйіндерінде
белгілі түрде бағытталған молекулалар орналасады. Ал олардың арасындағы
молекула аралық байланыс Вандер-Ваальс күштерінің есебінен жүзеге асады.
Молекулалық кристалдарды құрайтын молекулалардың арасындағы байланыс
энергиялары онша жоғары болмайды, шамамен 103104 Джмоль. Молекулалық
кристалдарға бір атомды инертті газдар, сутек, оттек, азот сияқты екі
атомдыгаздар, парафиннің көп атомды молекулалары және тағы басқа
органикалық қосылыстар жатады.
Көптеген элементтерде, түгелдей толмаған электрондық қабаттар
арасындағы өзара әсерлесу күштері үлкен рөл атқарады. Бірақ, түгелдей
толған электрондық қабаттардан тұратын инертті газ атомдарының арасында да,
Ван-дер- Ваальс тартылыс күштеріне жататын, аздаған әсерлесу күштері
байқалады. Мұның себебі, индукцияланған электрлік диполдарының пайда
болуының салдары болса керек.
Толған электрондық қабатпен қоршалған атомның оң зарядты ядросы,
тұрақты диполдық электрлік моменті жоқ, сфералық симметриялы жүйе түзеді.
Бірақ, электронның ядроны айнала қозғаллуының есебінен, симметрия әлсін-
әлсін бұзылып, диполдық моменттердің пайда болуын қамтамасыз етеді. Бұл
күштер заттардың оптикалық қасиеттеріне әсерін тигізетін болғандықтан,
дисперсиялық күштер деп аталған. Молекулалық кристалдың балқу
температурасының төмендігі, жұмсақтығы, күшті сығылғыштығы және жылулық
ұлғаю коэффициентінің жоғарылығы, оларды құрайтын молекулалардың арасындағы
байланыстардың өте әлсіз екендігінің айқын дәлелі болып табылады. Бұл
айтылған байланыстардан бөлек, аралас байланысты кристалдарда түзілуі
мүмкін. Кристалдарды құрайтын бөлшектердің әсерлесу күштерінің көптігі,
олардың арасындағы байланыстардың да әртүрлі екендігі, кристалдар
құрылымының, құрылысының өте күрделі болатындығын білдіреді.
1. 5 Кристалдардың механикалық қасиеттері
Кристалл денелер, сырқы күштердің әсерінен, көлемін де, пішінін де
өзгертеді, яғни, деформацияланады. Деформациялану деп, механикалық сыртқы
әсердің нәтижесінде, денені құрайтын бөлшектердің ара қашықтығының өзгеруі
және олардың өзара реттілігінің, тәртіптерінің бұзылуы айтылады. Қатты
денедегі деформация, сырқы күштің әсері тоқтағанда түгелдей жоғалатын
болса, серпімді, ал қайсібір бөлігі сақталатын болса, пластикалық деп
аталады. Түсірілген күштің көптігіне немесе аздығына сәйкес,
кристалдардағы деформациялар серпімді немесе пластикалық бола алады. Егер,
түсірілген күштің мәні аз болса, барлық денелер серпімді деформацияланады.
Осындай деформацияларды қарастырайық.
Қатты денелердегі бөлшектердің өзара орналасуы мен
арақашықтықтарының өзгерісі, деформацияға дейінгі орын алған теңдікті
бұзатын, ішкі күштерді тудырады. Серпімді деформацияда күштің әсері
жойылса, дене бұрынғы қалпына қайта келеді. Бұдан, ішкі күштер сырқы
күштерге қарсы бағытталады және оған тең деген қарытынды жасалады.Дененің
жеке бөлшектерінің арасындағы теңдікті бұзбайтын, олардың үдеуін
тудырмайтын деформациялар статикалық деп аталады[4].
Дененің деформациялануы дәрежесін бағалау үшін, абсолют және
салыстырмалы деформация ұғымдары енгізілген. Деформацияның абсолют мәні
денедегі процесті толық сипаттай алмайды. Мысалы, бірі 5см, екіншісі 50 см,
бірдей материалдан жасалған, сымды, күш түсіру арқылы 0,1 см-ге ұзартайық.
Бұл кезде қысқа сымға көп, ал ұзын сымға аз күш әсер етеді. Себебі, бірлік
ұзындыққа келетін деформация өзгерісінің бір-бірінен айырмашылығы 10 есе.
Сондықтан, деформацияны оның салыстырмалы мәнімен сипаттайды. Көлем немесе
ұзындық өзгерістерінің, олардың бастапқы мәндеріне қатынасы, салыстырмалы
деформация деп аталады:
, , (1.2)
мұндағы - салыстырмалы деформация,
- ұзындық және көлем өзгерістері, , - дененің бастапқы
ұзындығы мен көлемі, ал L, V – оның соңғы ұзындығымен көлемі.
Сыртқы күштің F әсерінен, денеде пайда болатын серпімді күш,
оның ішінде біршама кернеу тудырады. Егер күш F, өзіне перпендикуляркез-
келген ауданға S біркелкі әсер ететін болса, онда механикалық кернеу мына
формуламен анықталады:
(1.2а)
Кернеудің өлшем бірлігі
Біртекті материалдан жасалған дененің деформациялануын зерттеу
арқылы, тәжірибелерден алынған кернеу мен салыстырмалы дееформация
мәндерінің арасындағы тәуелділікті, график түрінде тағайындауға болады. Бұл
кезде ордината осьіне кернеудің ал абцисса осьіне салыстырмалы
деформацияның мәндері салынады. Тәжірибеде цилиндр тәріздес сымның
ұзаруы қарастырылған. Бастапқыда, аз күштердің тудыратын кернеуінде, ұзару
оған қатаң пропорционал түрде жүреді. Кернеудің мәні өскен сайын, олардың
арасындағы пропорционалдық бұзылады, бірақ серпімді деформация сақталады.
Себебі, бұл кезде күштің әсері тоқтаса, дененің ұзындығы бастапқы мәніне
қайта келеді. Ол сәйкескернеу серпімділік шегі деп аталады.
Кернеуді одан әрі өсіре беретін болса, деформация пластикалық
облысқа ауысады. Кернеу жоғалса, дене бұрыңғы қалпына қайта келмейді,онда
біршама деформация, яғни, қалдық деформация сақталады. Агыөтама бойынша
сәйкес нүкте пластикалық шек деп аталады. Пластикалық шектен соң аққыштық
облысы басталады. Бұл кезде кернеу өспейді, тұрақты сақталады, ал қатты
дене сұйық сияқты ағады. Бұдан соң денеде біршама қатаю байқалады, Осы
ензде кернеу беріктілік шегі деп аталады. Беріктілік шегіне тең
күштің әсерінен сым үзіледі.
Созылу және сығылу деформациялары, мөлшерлі түрде, Гук заңымен
сипатталады, яғни, салыстырмалы деформация механикаалық кернеуге тура
пропорционал:
, (1.3)
- деформация коэффициенті деп аталады. Бұған кері шама созылу
серпімділік модулі немесе Юнг модулі деп аталған:
E=. (1.4)
Осыны өрнекке қою арқылы Гук заңын мына түрге келтіріп
жазуға болады:
. (1.5)
формуладан серпімді деформация модулі (Юнг модулі), бірлік
деформация тудыратын кернеуге тең. Яғни, бұл кернеуде дененің ұзаруы, оның
ұзындығына тең(), яғни, дене екі есе ұзарады. Мысалы, болат үшін
Еб=2,1*105= 2,1*1011Па, (1.6)
алмас үшін
Еа=8*104= 8*1010Па (1.7)
Егер пластикалық деформацияланған денеден кернеу алынса, мысалы, С
нүктесінен, онда денеде ге тең қалдық салыстырмалы деформация
сақталады. Кернеу таңбасын өзгертулер, яғни, кері күшпен әсер ету арқылы,
серпімді деформация –гистерезис тұзағын алуға мүмкіндік
береді. Гистерезис тұзағының ауданы деформациялану кезіндегі механикалық
энергияның кемуіне тура пропорционал. Бұл энергия деформацияланған денеден
бөлінген жылу мөлшерін анықтайды[3].
Дене созылғанда, ол көлденең сығылады. Мысалы, резина түтікке
күміс жүзікті тығыз кигізіп, созатын болсақ, ол түьіктен өздігінен сырғып
түсетіні белгілі. Себебі, созылған резина түтік едәуір жіңішкереді. Олай
болса, дене созылған кездегі, оның көлденең өлшемдерінің салыстырмалы кемуі
мынадай формуламен анықталады:
, (1.8)
мұндағы - дененің диаметрі немесе көлденең өлшемдері, -
оның абсолют деформациясы. Тәжірибелерден, сыртқы күштің әсерінен дене
созылғанда. Оның көлденең өлшемдерінің салыстырмалы кемуі , сол
дененің салыстырмалы ұзаруына тура пропорционал өзгеретіндігі
анықталған:
=
. (1.9)
Пропорционалдық коэффициент Пуассон коэффициенті деп аталады.
Оның сан мәні әр түрлі материалдар үшін 0,25-тен 0,5 аралығында табылады.
Денелер біржақты сығылулар мен созылу деформацияларынан басқа,
жан-жақты созылу мен сығылу, бұралу, ығысу, иілу деформацияларына ұшырайды.
Бұлардың әрқайсысына тән өз деформациялық коэффициенттері мен модулдері
болады. Ығысу деформациясы денеге жанама кернеу түсіргенде пайда болады:
.
Мысалы, кубтың табанын еденге бекітіп, үстіңгі бетіне жанама кернеу
түсірсек, оның горизонталь қабаттары бір-бірімен салыстырғанда біршама
ығысып, бүйір қабырғалары вертикальмен бұрыш жасай орналасады. Осы
бұрышы дене ығысуының салыстырмалы деформациясы ретінде алынады. Олай
болса, Гук заңы бойынша
, (1.10)
мұнда - ығысу модулі. Ал оған кері шама ығысу коэффициенті
деп аталады. Ығысу деформациясында дененің көлемі өзгермейді.
Дененің деформациясы мен сипаттамаларының (модулдері мен
деформация коэффициенттерінің) арасындағы байланыстар мен тәуелділіктерді,
олардағы жүріп жатқан таза малекулалық процестерді қарастырмай-ақ,
зерттейтін механикалық негізгі саласының бірі, серпімділік теориясы деп
аталады. Бұл теорияның маңызды жетістігінің бірі, серпімділік және ығысу
модулдері мен Пуассон коэффициентінің арасындағы байланысты тағайындауы. Ол
төмендегідей формуламен өрнектеледі:
. (1.11)
Бұралу деформациясы ығысу деформациясының, ал иілу деформациясы
созылу немесе сығылу деформацияларының негізінде түсіндіріледі.
Кристалдардағы ақаулар
Нақты кристалдық торладың түйіндерінде орналасатын бөлшектердің
кеңістікте шексіз периодты түрде, белгілі тәртіппен қайталанып отыруын,
практикада жүзеге асыру мүмкін емес. Тек, кіші көлемдерде ғана, идеал,
дұрыс құрылымды монокристалл алуға болады.
Эксперименттік зерттеулер, реал кристалдардың кеңістік торларында
бөлшектердің ретсіз, периодты емес орналасуы, олардың жетіспеушілігі немесе
артып кетуі, бір-бірімен салыстырғанда ығыса орналасуы және тағы басқа да
макроскопиялық, микроскопиялық бұзылыстардың жиі кездесетінін көрсетеді.
Кеңістік торлардың құрылысы мен құрылымында орын алатын, осындай
кемшіліктер мен жетіспеушіліктер кристалдық ақаулар (дефекты) деп
аталады. Ақаулар қатты денелердің физикалық және химиялық қасиеттеріне
зор ықпалын тигізеді. Сондықтан, кристалдық денелер физикасында, мақсаты:
ақауларды жою, оларды болдырмау жолын табу және өндіріске қажет, арнайы
қасиеттерге ие кристалдарды өсіру, жасау болып табылатын, реттеу жұмыстары
маңызды рөл атқарады[1].
Кристалдық ақаулардың негізгі түрлерінің бірі нүктелік ақаулар.
Кеңістік тордағы бөлшектер өздерінің тепе-тең қалпына сәйкес нүктелерде
орналасқанымен, жылулық қозғалыстың нәтижесінде,үнемі тербелісте болады.
Сондықтан, олар қалыпты температуралардың өзінде, кез-келген мезетте атом
атом аралық қашықтықтың 10-15% жететін, ауытқуларға ұшырайды. Температура
жоғарылаған сайын тербелетін атомдардың саны да және тербеліс
амплитудалары да артады. Бұл біршама атомдардың өз орындарын тастап
кетуіне мүмкіндік туғызады, яғни, кеңістік тордың кейбір түйіндері
атомсыз қалады. Өз кезегінде бос орындар, кеңістік тордағы атомдардың
тепе-тең күйін бұзады, көрші атомдардың ығысуына ықпал етеді.
Нүктелік ақаудың екінші түріне, кейбір атомдардың кеңістік тордың
кез-келген жерінен орын алуы. Бұл кезде біріншіден түйін атомсыз
қалады, екіншіден, түйіндердің арасында олардың тепе-тең күйін
бұзатын, артық атом пайда болады. Нүктелік ақаудың тағы бір түрінде,
кеңістік торға басқа заттың атомының еніп кетуі. Мұндай қоспалы
ақаулар орын алғанда да, кеңістік тордағы атомдар орналасуының
реттілігі, тепе-тең күйі бұзылады.
Ақаулар кристалдың механикалық , жылулық, электрлік және т.б.
қасиеттерін қатты өзгертеді. Мысалы, қоспалы шала өткізгіштердің
электр өткізгіштігі, олардың таза күйіндегісінен әлдеқайда жоғары.
Кристалдың идеал құрылымының бұзылуы жеке нүктелерде ғана
емес, сызықтарды да, жазықтықтардыда алып жатуы мүмкін. Мұндай
ақаулар дислокациялар деп аталады.
Созылу деформациясының механизмі ығысу деформациясына ұқсас.
Себебі, цилиндр сымды үлкен күшпен созу кезінде, оның өн бойында
сырғанау жазықтықтары пайды болады да , оның жеке атомдары емес, толық
жазықтық топтары ығысады. Кейде винттік дислокация туралы айтылады.
Бұл кезде кристалдың белгілі бөлігінің атомдары, оның басқа бөлігіне
сәйкес ығысады, яғни, дислокация сызығының төңірегінде спираль,
тәріздес көлбеу пайда болады.
Дислокациялық ақауларды қоспалар енгізу арқылы нығайтады.
Жоғары температурада енгігізілген қоспа атомдары дислокациялық аймақтарда
топталады. Ал, температура төмендегенде, ол атомдардың қозғалғыштығы
кемиді, сөйтіп дислокацияның кристалл бойымен таралуына мүмкіндік
бермейді. Кейбір жағдайларда өте аз қоспаның өзі (шамамен 0,01%)
дислокациялық ақауды жақсы бекітетіні сонша, металл кристалдардың
беріктілігі, серпімділігі елеулі мәндерге артады[4].
Күй диаграммалары. Қатты денелерде де, сұйықтардағы сияқты, оның
бетін кез-келген температурада тастап кетуге энергиялары жеткілікті,
молекулалар мен атомдар болатыны тәжірибелер арқылы дәлелденген. Яғни,
қатты дене, сұйық күйге айналмай ақ, бірден газ тәрізді күйге ауыса
алады. Заттың, осы, қатты фазадан бірден газ тәрізді фазаға ауысу құбылысы,
сублимация деп атлады . Сублимация қатты дененің булануы. Ол, қатты және
газ тәрізді фаза мүмкін болатын , барлық қысымдар мен температураларда
жүзеге асады. Бұл құбылыс өте жақсы байқалатын қатты денелерге камфара,
нафталин және т.б. жатады.
Қатты денелер, қайсібір нақты температуралар мен қысымдарда, өзінің
буымен тепе-тең күйде бола алады. Бұл бу, сұйықтардағы сияқты, қаныққан су
деп аталады. Заттардың молекулалы-кинетикалық теориясы, жуық түрде,
сублимация нәтижесінде қатты дене бетін бірлік уақытта тастап кететін,
бөлшектердің массасын анықтауға мүмкіндік береді. ОЛл өрнек мына түрде
жазылады:
- сублимация коэффициенті, - қатты дененің қаныққан
буының қысымы, - оның бетінен, орта еркін жол ұзындығына тең
қашықтықтағы будың қысымы, R – әмбебап газ тұрақтысы, - қатты
дененің молярлық массасы, ал T – оның абсолют температурасы. Егер
заттардағы сублимация вакуумде жүрсе (=0), (7.23) теңдеу біршама
жеңілдейді. Бұл жағдай, эксперименттік әдістерде, көптеген кристалдардың
сублимация коэффициенттерін анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, осы әдіспен
табылған мұздың сублимация коэффициенті 0,5-тен 1-ге дейін өзгереді (-
400С), ал нафталин үшін 0,135-ке тең (400С).
Қатты дененің Т абсолют температурадағы бірлік массасын, осы
температурадағы буға айналдыруға керекті жылу мөлшері меншікті сублимация
жылуы деп аталады. Техникада сублимация құбылысы қатты денелерді әртүрлі
қоспалардан тазалау үшін кеңінен қолданады. Бұл әдісте, сублимациядан соң
қатты дененің буы тікелей кристалл пішінде тұндырылады.
Қысым мен температураның белгілі мәндерінде, заттар бір уақытта
қатты, сұйық және газ тәрізді фазаларда, динамикалық тепе-теңдік күйде бола
алады. Бұл күй қатты дене мен сұйық бетіндегі қаныққан будың қысымы
теңескенде орнайды. Егер сұық бетіндегі қаныққан бу қысымы кристалл
бетіндегі бу қысымынан артық болса, сұйық булана отырып конденсацияланады
да, бірден қатты денеге айналады. Ал, керісінше, кристалл бетіндегі
қаныққан бу қысымы жоғары болса, ол конденсациялана отырып сұйыққа
айналады.
Заттың күйін және ондағы жүріп жатқан фазалық ауысуларды көрнекі
сипаттау үшін күй диаграммаларын пайдаланған қолайлы. Олар қысым мен
температура байланысы болады. Себебі, заттың үш фазаның бірінде болу шарты
қысым мен температураның белгілі мәндерінде жүзеге асады.
Жоғарыда, өзінің қаныққан буымен жанасқан сұйық, оынмен динамикалық
тепе-теңдікте бола алатынын ескерткен едік. Бұл күй суретте АВ қисығымен
кескінделеді. Қисықтың өн бойына сәйкес температураларда, бірлік уақытта
буланатын молекулалар саны, сол уақыттағы конденсацияланатын молекулалар
ссанына тең. Ол қайнау сызығы деп аталады және ол сұйық пен будың
айыпмашылығы жоғалатын, кризистік темпертаураны сипаттайтын нүктеде
үзіледі.
Қайнау қисығының төменгі, жоғарғы температуралармен төменгі қысымдарға
сәйкес күйлер жағы, газ тәріздес фазаға жатады. Ал оның жоғарғы жағы сұйық
фазаны сипаттайды. Сұйық пен оның ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz