Qattiq jism

Qattiq jism – moddaning shakli turgʻun agregat holati. Bu holatda modda atomlarining issiqlik harakati ularning muvozanat vaziyatlari atrofida kichik tebranishlaridan iborat boʻladi. Kristall va amorf qattiq jismlar mavjud. Kristallarda atomlarning muvozanat vaziyatlari fazoda davriy joylashadi. Amorf jismlarda atomlar tartibsiz joylashgan nuqtalar atrofida tebranadi. Qattiq jismning turgʻun (eng kichik ichki energiyali) holati kristall holatdir. Termodinamik nuqtai nazardan amorf jism metaturgʻun holatda boʻladi va vaqt oʻtishi bilan kristallanishi kerak. Tabiatdagi barcha moddalar (suyuq geliydan tashqari) atmosfera bosimida va T>0 K trada qotadi. Qattiq jism xossalarini uning atommolekulyar tuzilishini va zarralari harakatini bilgan holda tushuntirish mumkin. Qattiq jismning makroskopik xususiyatlari haqidagi maʼlumotlarni toʻplash va tartiblashtirish 17-asrdan boshlangan. Qattiq jismga mexanik kuch, yorugʻlik, elektr va magnit maydon va hokazoning taʼsirini ifodalovchi bir qator empirik qonunlar ochildi: Guk qonuni (1660), Dyulong va Pti qonuni (1918), Om qonuni (1826), Videman – Frans qonuni (1835) va boshqalar qattiq jism atomlar, molekulalar va ionlardan tuziladi. Qattiq jismning tuzilishi atomlar orasidagi taʼsir kuchiga bogʻliq. Bir xil atomlarning oʻzi turli strukturalarni hosil qilishi mumkin (kul rang va oq qalay, grafit va olmos va hokazo). Tashqi bosim yordamida atomlararo masofani oʻzgartirib, qattiq jismning kristall tuzilishini va xossalarini tubdan oʻzgartirish mumkin. Koʻpgina yarimoʻtkazgichlar bosim ostida metall holatga oʻtadi (oltingugurt 8 120000 atm. bosimi ostida metallga aylanadi). Tashqi bosim tufayli 1 atomga toʻgʻri keladigan hajm atomning odatdagi hajmidan kichik boʻlib qolganda atomlar oʻz indivialligini yoʻqotadi va modsa oʻta siqilgan elektronyadroviy plazmaga aylanadi. Moddaning bunday holatini oʻrganish, xususan, yulduzlarning strukturasini tushunish uchun juda muhim. Qattiq jismning tuzilishi va xossalarining oʻzgarishi (fazaviy oʻtishlar), temperatura oʻzgarganda, magnit maydon taʼsirida va boshqalar tashqi taʼsirlar natijasida ham yuz berishi mumkin.

Bogʻlanishlarning turi boʻyicha qattiq jism bir-biridan elektronlarning fazoviy taqsimoti bilan farq qiladigan 5 sinfga ajraladi: 1) ionli kristallarda (№S1, KS1 va boshqalar) ionlar orasida asosan elektrostatik tortishish kuchlari taʼsir etadi; 2) kovalent bogʻlanishli kristallarda (olmos, Oye, 81) qoʻshni atomlarning valent elektronlari umumiylashgan boʻladi. Kristall ulkan molekulaga oʻxshaydi; 3) koʻpchilik metallarda bogʻlanish energiyasi harakatlanayotgan elektronlarning ion asos bilan oʻzaro taʼsiri tufayli hosil boʻladi (metall bogʻlanish); 4) molekulyar kristallarda molekulalar ularning dinamik qutblanishi tufayli paydo boʻladigan zaif elektrostatik kuchlar (VanderVaals kuchlari) yordamida bogʻlanadi; 5) vodorod bogʻlanishli kristallarda vodorodning har bir atomi tortishish kuchlari yordamida bir vaqgning oʻzvda 2 ta boshqa atom bilan bogʻlanadi. Bogʻlanishlar turi boʻyicha tasnif shartli boʻlib, koʻpgina moddalarda turli bogʻlanishlarning kombinatsiyasi kuzatiladi.

Qattiq jismdagi atomlar orasidagi taʼsir kuchlari turlituman boʻlishiga qaramay, elektrostatik tortishish va itarishish ularning manbai boʻlib xizmat qiladi. Atom va molekulalardan turgʻun qattiq jismning hosil boʻlishi tortishish kuchlari ~108sm masofalarda itarishish kuchlari bilan muvozanatlashishini koʻrsatadi. Baʼzi hollarda atomlarni qattiq sharchalar deb qarash va ularni atom radiuslari bilan ifodalash mumkin.

Barcha qattiq jism yetarlicha yuqori trada eriydi yoki bugʻlanadi. Bundan faqat qattiq geliy mustasno: u (bosim ostida) temperatura pasayganda eriydi. Erish jarayonida jismga berilgan issiqlik atomlararo bogʻlanishlarni uzishga sarflanadi. Turli tabiatli Qj.ning erish tralari Teturlicha (mas, mol. vodorodniki – 259,1°, volframniki 3410±20°, grafitniki 4000° dan yuqori). Qattiq jismning mexanik xususiyatlari u tuzilgan zarralar orasidagi bogʻlanish kuchlari bilan aniqdanadi. Bu kuchlarning turlituman boʻlishi mexanik xususiyatlarning ham turlicha boʻlishiga olib keladi: baʼzi bir qattiq jism plastik, boshqalari moʻrt. Odatda, metallar dielektriklarga nisbatan plastikroq boʻladi. temperatura qoʻtarilishi bilan odatda plastiklik ortadi. Uncha katta boʻlmagan kuchlanishlarda barcha qattiq jismda elastik deformatsiya kuzatiladi. Kristallarning mustahkamligi atomlar orasidagi bogʻlanish kuchlariga muvofiq kelmaydi. 1922-yilda A. F. Ioffe real kristallarning mustahkamligi pastligini ularning sirtidagi makroskopik defektlarning taʼsiri deb tushuntirdi (Ioffe effekti). 1933-yilda J. Teylor, E. Orovan (AQSH) va M. Polyani (Buyuk Britaniya) dislokatsiyashr tushunchasini taʼrifladi. Katta mexanik kuchlanishlar ostida kristall oʻzini qanday tutishi dislokatsiya va kristall panjaraning boshqa chiziqli defektlari bor yoʻqligiga bogʻliq. Qattiq jismning plastikligi koʻp hollarda dislokatsiyalarga, mexanik xususiyatlari unga nuqsonlarni kirituvchi yoki yoʻqotuvchi ishlov berishga bogʻliq boʻladi. 1926-yilda Ya. I. Frenkel real kristallda panjaraning nuqtaviy defeqtlari (vakansiyalar, tugunlararo atomlar) boʻlishiga eʼtiborni jalb etdi va ularning qattiq jismdagi diffuziya jarayonlaridagi rolini koʻrsatdi.

Qattiq jismdagi atomlar va ionlar harakatining tebranish xarakteriga ega boʻlishi erish temperaturasi T3gacha saqlanadi. Hatto T=Teda ham atomlarning tebranish amplitudasi atomlararo masofalardan ancha kichik boʻladi, erish esa T>Tzaa suyuqlikning termodinamik potensiali qattiq jism nikidan kichik boʻlishi tufaylidir.

Kristall panjara dinamikasining nazariyasi 20-asr boshida ishlab chiqildi. U kvant nazariyasini hisobga oladi. Kristall panjara atomlari tebranma harakatining kvantlanishi fonon tushunchasiga olib keldi (I.Ye. Tamm, 1929) va qattiq jism issiqlik xossalarini kvazizarralar – fononlar – gazi xossalari sifatida tavsiflash imkonini berdi.

Elektron kashf etilishi bilan qattiq jismning elektron nazariyasi rivojlana boshladi. Nemis fizigi P.Drude (1900) quyidagi farazni ilgari surdi: metallardagi valent elektronlar atomlar bilan bogʻlanmagan boʻlib, kristall panjarani toʻldiruvchi erkin elektronlar gazini hosil qiladi va odatdagi siyraklashgan gazga oʻxshab, Boltsman taksimotita boʻysunadi. Bu modelni golland fizigi X. A. Lorents rivojlantirdi. Bu nazariya metallarning bir qancha xossalarini tushuntirib berdi. Biroq uning asosida hisoblab topilgan issiqlik sigʻimidagi elektronlarning hissasi tajribadan keskin farq qildi. Metallardagi elektron gazni tavsiflashda kvant mexanika va kvant statistika uslublari (Fermi – Dirak taqsimoti)ni qoʻllash (1927–28, nemis fizigi A. Zommerfeld; Ya. I. Frenkel) qattiq jismdagi kinetik hodisalar (elektr va issiqlik oʻtkazuvchanlik, galvanomagnit hodisalar va boshqalar)ning kvant nazariyasini rivojlantirish uchun asos yaratdi. T=0 da metalldagi elektronlarning maʼlum bir maksimal sath (Fermi energiyasi) gacha boʻlgan barcha energiya sathlari toʻlgan boʻladi. temperatura ortganda elektronlarning ozgina qismigina bu sathsan yuqoriroq sathlarga oʻtadi. Bu hol A. Zommerfeldga (1927) metallar issiqlik sigʻimiga elektronlarning hissasi kichik boʻlishini tushuntirish imkonini berdi. Kristall panjara davriy maydonining elektronlar xarakatiga taʼsiriga kvant mexanika nuqtai nazaridan qarash elektronning kristalldagi harakatini tushuntirishga va qattiq jismning zamonaviy nazariyasi asosi boʻlgan zonalar nazariyasiga olib keldi.

1931-yilda ingliz fizigi A. Vilson turli elektr xossalarga ega boʻlgan qattiq jismlarning mavjud boʻlishi energetik zonalarning T=0 da elektronlar bilan toʻlish xarakteriga bogʻliq boʻlishini koʻrsatdi. Agar hamma zonalar elektronlar bilan toʻlgan yoki boʻsh boʻlsa, bunday jismlar elektr tokini oʻtkazmaydi, yaʼni dielektrik, elektronlarga qisman toʻlgan zonalarga ega qattiq jism metall boʻladi. Yarimoʻtkazgichlar dielektriklardan shu bilan farq qiladiki, ularning oxirgi toʻlgan (valent) zonasi bilan birinchi boʻsh zonasi (oʻtkazuvchanlik zonasi) orasidagi taqiqlangan zonaning kengligi kichik boʻladi. Kristallarda defekt yoki aralashmaning boʻlishi taqiqlangan zonada qoʻshimcha energetik sathlarning paydo boʻlishiga olib keladi. Valent zonasi va oʻtkazuvchanlik zonasi juda kam tutashgan qattiq jism yarimmetallar deb ataladi. Tirqishsiz yarimoʻtkazgichlar ham boʻladi; ularning oʻtkazuvchanlik zonasi valent zonaga tegib turadi. Metallarda Fermi sathi taqiqlanmagan zonada, yarimoʻtkazgichlarda Fermi sathi taqiqlangan zonada joylashadi. Tirqishsiz yarimoʻtkazgichlardaFermi sathi valent zonasini oʻtkazuvchanlik zonasidan ajratuvchi chegara bilan mos tushadi. Elektron oʻtkazuvchanlik zonasiga oʻtganda valent zonada boʻsh oʻrin – kovak hosil boʻladi. Oʻtkazuvchanlik elektronlari va kovaklar yarimoʻtkazgichlardagi zaryad tashuvchilardir.