Kako so delci v trdnih snoveh: kristalna struktura, fizikalne lastnosti

Kako so delci v trdnih delcih? Tovrstnih vprašanj ne obiskujejo le teoretični fiziki in šolarji. Majhen otrok, ko začne raziskovati svet okoli sebe, se zaveda, da se okoliški predmeti ne razlikujejo le po videzu, temveč tudi v stiku. Kaj odgovoriti na tako radovedno zmedo?

Zgodovina

Vprašanje, kako so delci razporejeni v trdnih delcih, so v mislih znanstvenikov od 17. stoletja. Vse se je začelo z dejstvom, da je bilo izvedenih več empiričnih zakonov, ki opisujejo učinek na trdne telesne temperature, mehansko energijo, svetlobne in elektromagnetne valove itd.

• Ohmov zakon;
• Hookejev zakon;
• Dulongov zakon;
• Franzov zakon in drugi.

V devetnajstem stoletju je bila oblikovana teorija elastičnosti, v kateri so se trdna telesa najprej obravnavala kot zvezni medij. Koncept kristalne strukture teles oblikuje Auguste Brava. Po drugi strani pa ga je navdihnila dela Hauya, Newtona, Bernoullija in Cauchyja.

Opis

Da bi razumeli, kako se delci nahajajo v trdnih delcih, je potrebno imeti idejo o agregatnih stanj snovi. Lahko so v kristaliničnem in amorfnem stanju.

Za kristale je značilna enakomerna porazdelitev atomov, kar se doseže zaradi ravnovesja med molekulami in njihovega urejanja v mrežo. Kristali so v njihovi naravni obliki poliedri.

Amorfne trdne snovi so skupina poljubno razporejenih molekul, ki so trdno med seboj povezane. Kristalna rešetka v takih telesih je odsoten, vendar na majhnih razdaljah delci še vedno ohranjajo neko urejenost. Kot primer lahko pokličete stekleno stanje. V teoriji mora vsako amorfno telo iti v kristalno obliko, vendar traja neskončno veliko časa. Po drugi strani pa lahko tako telo imenujemo fluid, ki ima višjo viskoznost.

Razvrstitev

Glede na to, kako se delci nahajajo v trdnih snoveh, so odvisne njihove fizikalne in kemijske lastnosti. Na razporeditev atomov neposredno vpliva vrsta vezi med delci:

• ionski;
• kovalentna;
• kovine;
• molekula;
• vodika.

Vse trdne snovi lahko razdelimo na tiste, ki vedno izvajajo elektriko, in brez nje. Obstajajo tudi tisti, ki vodijo tok le pod določenimi pogoji.

1. Vodniki. Elektroni se prosto gibajo skozi kristalno mrežo in tvorijo tok. Te vključujejo kovine.
2. Polprevodniki. Da bi se elektron gibal med atomi snovi, je potrebna določena količina energije, zato tok skozi take materiale poteka s težavo.
3. Dielektriki. Za premikanje elektrona je potrebna velika količina proste energije, zato so takšne snovi neprepustne za električni tok, na primer iz gume ali lesa.

Fizične lastnosti

Fizika trdnega stanja je odvisna od simetrije razporeditve atomov in se dojema kot reakcija na delovanje določenih sil in polj. Obstajajo tri glavne vrste izpostavljenosti: t

• mehanski;
• toplotna;
• elektromagnetno.

Struktura trdnih snovi določa njihove mehanske lastnosti: stres in deformacije. Vse trdne snovi lahko razdelimo na elastične, trajne, tehnološke in reološke. Pod vplivom tekočin in plinov lahko kažejo tudi hidravlične in plinsko-dinamične lastnosti.

Interakcija delcev v trdnih snoveh se lahko spremeni pod vplivom visokih ali nizkih temperatur, sevanja, elektromagnetna valovanja in drugi tokovi delcev.

Mehanske lastnosti

Struktura trdnih teles je taka, da ob mirujočem stanju dobro obdržijo svojo obliko, vendar jo lahko spremenijo pod vplivom zunanje sile. Vse je odvisno od tega, kako velika je sila, uporabljena na predmetu.

Deformacija je lahko elastična, če se telo po prenehanju sile vrne v prvotno obliko. Plastika , ko zunanja sila za dolgo časa vpliva na elastično telo in spreminja svojo obliko. Uničujoča deformacija se pojavi, ko uporabljeni vpliv preseže meja trdnosti predmet. Na njem se pojavijo razpoke in napake.

Toplotne lastnosti

Delci trdne snovi, kot so tekočine in plini, lahko pod vplivom temperatur pospešijo ali upočasnijo gibanje, saj kljub zunanji invarianci oblike atomi še vedno nihajo v svojih položajih v kristalni rešetki.

Ena od najpomembnejših praktičnih lastnosti za trdne snovi je tališče, to je trenutek prehoda v drugo agregatno stanje. V večini primerov ogrevanje trdne snovi vodi do njegovega širjenja, hlajenje pa do stiskanja. Zato je zelo pomembno, da inženirji poznajo te lastnosti za vsak material, uporabljen v gradbeništvu. Ker neurejeno zmanjšanje tudi za delček milimetra lahko povzroči katastrofalne posledice.

Magnetne in električne lastnosti

Fizika trdnega stanja vključuje prenos skozi njega usmerjenega toka elektronov in magnetnih valov. Kot je bilo že zapisano zgoraj, so vsi materiali razdeljeni na prevodnike, polprevodnike in dielektrike, vendar obstajajo tudi ožji koncepti.

1. Superioniki so kristali, katerih atomi so vezani ionske vezi. Lahko premikajo različne skupine ionov.
2. Superprevodniki so trdne snovi, ki izvajajo električni tok brez energije (to je brez upora).
3. Piroelektriki so materiali, ki so spontano sposobni voditi elektriko.
4. Ferromagneti so telesa, v katerih obstaja spontani magnetizem.

Barva trdnega telesa je določena s tem, kateri del vidnega spektra absorbira material, ki se lomi in del žarkov odraža. Vodniki imajo pogosto velik lomni količnik in refleksijo, dielektriki pa so lahko transparentni. Polprevodniki lahko bolje prenašajo tok, ko jih svetloba udari.