Bərk cisim fizikası: xassələri, strukturu, nümunələri
Məsələn, kinetik nəzəriyyəni metaldakı sərbəst elektronlara tətbiq etməklə, onlara qaz kimi baxılır.
Bərk cismin zona nəzəriyyəsinin əsasları. Enerji zonaları
Zona nəzəriyyəsi yarımkeçiricilərin kəmiyyətcə təhlilinin əsasını təşkil edir. Hər hansı tədric olunmuş atom elektronlar üçün icazə verilmiş diskret enerji spektri ilə xarakterizə olunur (şəkil 2.1). Enerjinin qiyməti artdıqca ardıcıl yerləşmiş enerji səviyyələri arasında məsafələr azalır.
Enerji spektrinin “tavanı” ionlaşma səviyyəsidir ki, bu səviyyədə elektron sərbəst olur və atomu tərk edə bilir. Dolu səviyyələr atomun elektron örtüyünü təşkil edir və onları 1,2,3. rəqəmləri ilə işarə edirlər. İkincidən başlayaraq örtüklər alt örtüklərə (2s,2r,3s,3p,4s,4p) bölünür. Elektronla dolu örtüklərin və alt örtüklərin sayı elementin sıra nömrəsindən asılı olur. Həyacanlanmamış atomda xarici səviyyələr həmişə boş olur. Bərk cisimdə atomlarara- sı məsafələr çox kiçik olduğundan cismin atomları biri- birilə qüvvətli qarşılıqlı təsirdə olur. Bərk cismin hər hansı bir hissəsində bütün atomlar toplusunu bir vahid iri molekul kimi təsvir etmək olar.
Bu molekul da atom kimi bütöv cisim üçün vahid olan hər hansı bir enerji spektri ilə xarakterizə olunur. Bu spektrin xüsusiyyəti ondadır ki, o diskret icazə verilmiş zonalardan ibarət olur. Hər bir zonanın mənşəyi uyğun atom səviyyəsidir ki, bu səviyyədə atomlar bir-birinə yaxınlaşanda elə bil ki, parçalanır (şəkil 2.2).
Beləliklə, atomlararası məsafəsi r0 olan kristal üçün müəyyən zona diaqramı əldə edilir. Bu diaqramda icazə verilmiş zonaların ardınca qadağan olunmuş zonalar gəlir (şəkil 2.3). Bu zonaların eni bir neçə elektronvolt (eV) həddində olur və bərk cisimdə atomların sayından (cismin ölçülərindən) asılı olmur.
İcazə verilmiş zonalar diskret struktura malik olurlar və onların səviyyələrinin sayı cisimdəki atomların sayma bərabərdir. Hər hansı bir kiçik həcmdə atomların sayı o qədər böyükdür ki, real şəraitdə zonaların səviyyələri arasındakı energetik səviyyələr -dan yüksək olmur. Ona görə də icazə verilmiş zonaların bütöv olduğunu qəbul etmək olar.
Atomun alçaq enerji səviyyələri adətən zona təşkil etmir, çünki daxili elektron örtüklərinin bərk cisimdə qarşılıqlı təsiri çox zəifdir (onlar xarici örtüklər tərəfindən ”ek- ranlanmışlar”- aralanmışlar). Buna görə alçaq səviyyələr zona diaqramında qırıq xətlə göstərilir və hər qırıq xət bir atoma uyğun gəlir (şəkil 2.2 ).
Bir çox hallarda icazə verilmiş zonalar bir-birinin üzərinə düşür və bu halda onların arasında qadağan olunmuş zona mövcud olmur. Bu yalnız spektrin yuxarı hissəsində baş verir, çünki ayrıca atomda yuxarı səviyyələr bir-birinə çox yaxın yerləşir. Bunun nəticəsində bərk cismin enerji spektri vahid yuxarı zonaya və hər hansı bir son saylı (səviyyələrin sayından fərqli olaraq) zonaya malik olur.
Bərk cisimdə keçiricilik o vaxt yaranır ki, elektron qonşu daha yüksək enerji səviyyəsinə keçə bilsin. Deməli, keçiricilikdə yalnız azad səviyyələri olan zonaların elektronları iştirak edə bilər. Belə azad zonalar yuxarı icazə verilmiş zonalarda həmişə mövcud olur, çünki izolə edilmiş atomda yüksək səviyyələr heç vaxt dolu olmur.
Ona görə bərk cismin mütləq sıfır temperaturda elektronlarla tutulmayan (və ya tam tutulmayan) zonasına keçiricilik zonası deyilir. Bu zonaya ən yaxın yerləşən zonaya valent zonası deyilir. Mütləq sıfır tempraturda valent zonası tamamilə elektronlarla dolu olur və bu zonanın elektronları keçicirilikdə iştirak etmir. Aşağıda görəcəyik ki, sıfırdan fərqli tempraturda valent zonasında azad səviyyələr yarana bilər və bu isə keçiriciliyin dəyişməsinə səbəb ola bilər. Beləliklə, kristalın keçiriciliyini iki qonşu zona (valent və keçiricilik) müəyyən edir.
Sıfır tempraturda bərk cismin zona strukturu metalların, yarımkeçiricilərin və dielektriklərin təsnifatının əsasını təşkil edir (şəkil 2.3). Metallarda keçiricilik və valent zonaları üst-üstə düşür və ona görə sıfır tempraturda keçiricilik zonasında müəyyən sayda elektron olur ki, bu da keçiricilik əmələ gətirir. Yarımke- çiricilərdə və dielektriklər də həmin temperaturda keçiricilik zonası boş olur və keçiricilik yaranmır. Dielektriklərlə yarımkeçiricilərin fərqi ondadır ki, dielektriklərdə qadağan olunmuş zonanın eni daha böyükdür. Keçiricilik zonası demək olar ki, bütöv qəbul edildiyindən burada elektronların enerjisi vakuumda izolə olunmuş elektronunku kimi aramsız dəyişə bilər. Ona görə keçiricilik zonasındaki elektronlara sərbəst elektronlar deyilir. Sərbəstlik bu halda yalnız cismin daxilində yerdəyişmə imkanını nəzərdə tutur.
Bərk cisim fizikası: xassələri, strukturu, nümunələri
The bərk cisim fizikası adlanan, aşağı enerjili bir vəziyyətdə olan maddənin öyrənilməsi ilə məşğul olan fizikanın bir hissəsidir bərk vəziyyət, kvant mexanikası, statistik fizika, termodinamika, elektromaqnetizm və kristalloqrafiya kimi fiziki nəzəriyyələrdən istifadə etməklə.
Bərk vəziyyətdə molekullararası cazibə enerjisi istilik enerjisindən azdır, buna görə də molekullar daha çox və ya daha az sabit mövqelər ətrafında çətin titrəyirlər. Bəzi bərk maddələr molekulyar səviyyədə amorf, digərləri isə kristallar kimi daha nizamlı bir quruluşa malikdir.
Bərk materialların bəzi nümunələri silisium qumu, şüşə, qrafit (mineral kömür), adi duz, saf şəkər, dəmir, mis, maqnitit, kvars və daha çoxdur.
- 1 Qatı Hal Xüsusiyyətləri
- 2 Makroskopik və mikroskopik xüsusiyyətlər
- 3 Bərk cisimlərin quruluşu
- 3.1 Bərk fizika modelləri və onların xassələri
- 4.1 Yüksək temperaturlu super keçiricilər
- 4.2 Güclü əlaqəli bərk cisimlər
Bərk hal xüsusiyyətləri
Qatı materialların əsas xüsusiyyəti var, normal şəraitdə, yəni böyük xarici qüvvələrə məruz qalmadıqda həcmini və formasını qoruyub saxlayırlar.
Bu, həcmini qoruya bilsələr də, içərisində olan qaba uyğunlaşaraq şəklini dəyişən mayelərdən fərqli olaraq. Həcmi və formasını dəyişdirərək sıxıla və ya genişləndirilə biləcəyi üçün qazlar ilə müqayisədə daha da böyükdür.
Bununla birlikdə, qatı maddələr əhəmiyyətli dərəcədə təsir edə biləcək qədər geniş bir temperatur dəyişikliyinə məruz qaldıqda, lakin maddənin başqa bir vəziyyətinə faza keçmədən həcmini dəyişə bilər.
Qatı maddələr daxili molekulyar quruluşlarında amorf ola bilər. Məsələn, şüşə amorf materialdır, hətta çoxları tərəfindən həddindən artıq soyudulmuş maye hesab olunur. Ancaq kvars və almaz kristal bir quruluşa malikdir, yəni atomları nizamlı və məkan baxımından periyodik tənzimləmələri izləyir.
Makroskopik və mikroskopik xüsusiyyətlər
Qatı hal fizikası, makroskopik miqyasda (atom miqyasından minlərlə və milyonlarla dəfə böyük) xassələr ilə molekulyar və ya atom miqyaslı xüsusiyyətlər arasındakı əlaqəni öyrənir.
Cisimdə atomlar bir -birinə çox yaxındır və aralarındakı qarşılıqlı təsir onların xüsusiyyətlərini, məsələn, mexaniki xüsusiyyətləri: sərtlik və sünilik, həmçinin istilik, maqnit, optik və elektrik xüsusiyyətlərini müəyyən edir.
Məsələn, keçiricilik, istilik tutumu və maqnitləşmə bərk maddələrin makroskopik xüsusiyyətləridir və molekulyar və ya atom miqyasında baş verənlərdən birbaşa asılıdır.
Bərk fizikanın əhəmiyyətinin bariz nümunəsi yarımkeçiricilərdir. Mikroskopik səviyyədə xüsusiyyətlərini başa düşmək, bir neçə tətbiqin adını çəkmək üçün tranzistorlar, diodlar, inteqral sxemlər və LEDlər kimi cihazların inkişafına imkan verir.
Bərk cisimlərin quruluşu
Təzyiq və temperatur şəraitinə, habelə əmələ gəlməsi zamanı izlənilən proseslərə bağlı olaraq, bərk materiallar müəyyən bir mikroskopik quruluş əldə edir.
Məsələn, qrafit və almaz kimi bir-birinə bənzəməyən materiallar yalnız karbon atomlarından ibarətdir. Ancaq xassələri tamamilə fərqlidir, çünki eyni tip atomlardan ibarət olmalarına baxmayaraq, mikroskopik quruluşları çox fərqlidir.
Almaz və qrafitin mikroskopik quruluşu
Metallurgiya mütəxəssisləri bilirlər ki, eyni materialdan başlayaraq, müxtəlif istilik müalicəsi ilə bıçaq və qılınc kimi parçaların istehsalında çox fərqli nəticələr əldə edilir. Fərqli müalicələr müxtəlif mikroskopik strukturlara səbəb olur.
Qatılar əmələ gəlməsindən asılı olaraq üç növ mikroskopik quruluş təqdim edə bilər:
- Amorf, atomların və molekulların düzülüşündə heç bir məkan nizamı yoxdursa.
- Monokristal, əgər atomlar məkan qaydasında düzülübsə, üç ölçüdə qeyri-müəyyən şəkildə təkrarlanan tənzimləmələr və ya hüceyrələr əmələ gətirir.
- Polikristal, bir -birinə simmetrik olmayan bir neçə bölgədən ibarətdir, burada hər bölgənin öz monokristal quruluşu vardır.
Bərk fizika modelləri və onların xassələri
Bərk fizika, istilik keçiriciliyi və elektrik keçiriciliyi kimi bərk materialların xüsusiyyətlərini izah etmək üçün əsas prinsiplərdən başlayır.
Məsələn, kinetik nəzəriyyəni metaldakı sərbəst elektronlara tətbiq etməklə, onlara qaz kimi baxılır.
İonların hərəkətsiz bir substrat meydana gətirdiyi fərziyyəsi altında metalların həm elektrik keçiriciliyini, həm də istilik keçiriciliyini izah etmək mümkündür. Baxmayaraq ki, bu modelin klassik versiyasında sərbəst elektronların istilik keçiriciliyi keçirici materiallarda olan ölçülərdən daha böyükdür.
Dezavantaj, keçirici bir cismin sərbəst elektron modelinə kvant düzəlişləri tətbiq etməklə həll edilir. Bundan əlavə, əgər Fermi-Dirac statistikasını izlədikləri güman edilirsə, nəzəri proqnozlar eksperimental ölçülərlə daha dəqiq uyğun gəlir.
Bununla belə, sərbəst elektron modeli metallardan başqa bərk cisimlərin istilik keçiriciliyini izah edə bilməz.
Bu vəziyyətdə, elektronların kristal qəfəs ilə qarşılıqlı əlaqəsi nəzərə alınmalıdır ki, bu da Schrodinger tənliyində dövri potensialla modelləşdirilir. Bu model elektronların enerjidən asılı keçiricilik zolaqlarını proqnozlaşdırır və izolyator və keçirici metal arasında bərk aralıq növü olan yarımkeçirici bərk cisimlərdə elektrik keçiriciliyini izah edir.
Bərk Dövlət Nümunələri
Kimi yeni materialların kəşf edilməsinə imkan verən qatı hal fizikası inkişaf etmişdir bərk nanomateriallar unikal və qeyri -adi xüsusiyyətlərə malikdir.
Bərk fizikanın inkişafında başqa bir nümunə, iki ölçülü və ya bir qatlı materialların inkişafıdır, bunun ardınca fotovoltaik hüceyrələr və yarımkeçirici inteqral sxemlərin inkişafı kimi müxtəlif tətbiqlərdir.
İki ölçülü materialın klassik nümunəsi qrafenBu, tək qatlı qrafitdən başqa bir şey deyil və ilk dəfə 2004-cü ildə əldə edilmişdir.
İki ölçülü qatıların digər nümunələri bunlardır: fosforen, plumben, siliken və germasen.
Yüksək temperaturlu super keçiricilər
Yüksək temperaturlu keramika superkeçirici ilə maqnitin levitasiyası
Super keçiricilik 1911-ci ildə Hollandiyalı Kamerlingh Onnes (1853-1926) tərəfindən civə, qalay və çox aşağı temperaturlara (4K qaydasında) səbəb olan keçirici materiallara məruz qaldıqda kəşf edilmişdir.
Superkeçiricilik yüksək temperaturda (ideal olaraq otaq temperaturunda) əldə oluna bildiyi müddətcə maqnit levitasiya qatarları kimi mühüm texnoloji tətbiqlərə malikdir.
Bərk fizika bu superkeçiricilər axtarışındadır, yəni maye azotun temperaturundan (77 K) yüksək temperatur, əldə etmək nisbətən asan və ucuz temperatur. Bu günə qədər ən yüksək temperaturlu super keçirici, 138 K və ya -135ºC temperaturda bu vəziyyətə çatan bir keramika qatıdır.
Güclü əlaqəli bərk maddələr
Güclü əlaqəli bərk maddələr qeyri -adi xüsusiyyətlərə və böyük texnoloji potensiala malik ağır fermionik birləşmələrdir. Məsələn, maqnit sahələri vasitəsilə izolyatorlardan keçiricilərə keçmək üçün manipulyasiya edilə bilər.
Bu tip bərk maddələrin inkişafı həm də son onilliklərdə maqnit məlumat saxlama cihazlarının tutumlarını eksponent olaraq artırmağa imkan verdi.
Maraqlanan mövzular
Qatı maddələrə nümunələr.
İstinadlar
- Martin, Joseph D. 2015. “Ad Dəyişməsində Nə Var? Bərk Fizika, Qatılaşdırılmış Maddə Fizikası və Materialşünaslıq ”(PDF). Perspektivdə Fizika. 17 (1): 3-32.
- Kittel, Charles. 1995. Qatı hal fizikasına giriş. Redaksiya Geri.
- Ashcroft və Mermin. 1976. Bərk Fizika. Saunders Kolleci.
- Sheng S. Li. 2000. Yarıkeçirici Fiziki Elektronika. Springer-Verlag.
- Vikipediya Bərk cisim fizikası. Bərpa edildi: es.wikipedia.com
Maye və qazlarda təzyiqin ötürülməsi, Birləşmiş qablar, Hidravlik maşın
Boş kağız paketini hava ilə doldurub ovcunuzla zərbə endirsəniz, kağız paket “partlayar”. Mayelər də özünü belə aparır: əgər içərisində su olan ağzı bağlı plastik paketi masa üzərində yerləşdirib azacıq sıxmaqla təsir göstərsəniz, onun forması dəyişər, lakin bərk sıxsanız, “partlayar”.
Bərk cisimlərin səthinə göstərilən təzyiq cismin hissəciklərini bir istiqamətdə – təsir edən qüvvə istiqamətində dəyişir. Bu da özündən sonrakı hissəciklərin yerdəyişməsinə səbəb olur. Yuxarıdakı hissəciklər aşağıya doğru yerini dəyişir. Bu yerdəyişmə növbəti hissəciklər üçün də təkrarlanır. Bərk cismin hissəcikləri yanlara yerini çox az dəyişdiyindən onlarda yana təzyiq hiss olunmur (bax: a və b).
Qabda olan maye (və ya qaz) xaricdən müəyyən qüvvənin təsiri ilə sıxıldıqda onun mütəhərrik molekulları qabın hər tərəfinə yerlərini dəyişir. Bu zaman sıxlıq artdığından mayenin (və ya qazın) təzyiqi də getdikcə artır.
Qabda olan mayeyə (və ya qaza) göstərilən təzyiq bütün istiqamətlərə ötürülür. Qapalı qabdakı maye və qazlar xaricdən edilən təzyiqi dəyişmədən bütün istiqamətlərə bərabər ötürür. Bu, maye və qazlar üçün Paskal qanunudur.
- Açıq səthləri olan və bir-biri ilə əlaqələndirilən qablar birləşmiş qablar adlanır.
- Birləşmiş qablardakı bircins mayenin səviyyələri eynidir. Bu «birləşmiş qablar qanunu»dur.
Burada h1 və ρ1 – birləşmiş qabların birindəki maye sütununun hündürlüyü və sıxlığı, h2 və ρ2 – birləşmiş qabların digərindəki maye sütununun hündürlüyü və sıxlığıdır.
Birləşmiş qablarda maye sütunlarının hündürlükləri onların sıxlıqları ilə tərs mütənasibdir.- Hidravlik maşın bu cür ağır işin öhdəsindən necə gəlir?
Burada S1 – kiçik porşenin sahəsi, S2 – böyük porşenin sahəsi, F1 – kiçik porşenə təsir edən qüvvənin modulu, F2 – böyük porşenə təsir edən qüvvənin moduludur.
Hidravlik maşının porşenlərinə təsir edən qüvvələr porşenlərin sahələri ilə düz mütənasibdir.
Beləliklə, hidravlik maşının köməyi ilə S2/S1 dəfə qüvvədə qazanc əldə edilir:Beləliklə, hidravlik maşında kiçik qüvvə ilə böyük qüvvəni tarazlaşdırmaq mümkündür. Hidravlik maşın cisimləri presləmək üçün istifadə edildiyindən onu hidravlik pres də adlandırırlar. Bu preslər çox böyük qüvvə tələb edilən yerlərdə istifadə olunur.
Comments are closed, but trackbacks and pingbacks are open.