Кристалдық күйдің, негізгі ерекшеліктері

Енді атомдық-молекулалық деңгейде заттың қатты және сұйық күйлерін қарастырайық. Табиғатта кездесетін қатты денелердің басым көпшілігінің құрылымы кристалдық болады деуге болады (минералдар және металдар қатты күйде кристалдар болып табылады).

Кристалдық күйді сұйық жөне газ күйінен ажырататын негізгі сипат оларда анизотропияның болатындығы: кристалдың кейбір физикалық (механикалық, жылулық, электрлік, оптикалық) қасиеттері бағытқа тәуелді болады.

Кристалдық денелердің қасиеттері әр түрлі бағыттарда бірдей емес. Қасиеттері барлық бағыттарда бірдей болатын денелер изотропты деп аталады. Газдар және сұйықтармен қатар аморфтық қатты денелер изотропты болып табылады. Кристалдардың анизотроптығының себебі оларды түзетін белшектердің (атомдардың немесе молекулалардың) реттілікпен орналасуында. Бөлшектердің реттілікпен орналасуы кристалдардың сыртқы жақтарының дұрыс геометриялық пішінде болуынан-ақ көрінеді. Кристалдарды құрайтын бөліктер кеңістікте дұрыс кристалдық тор түзеді. Кристалдық тор деп түйіндерінде кристалды құрайтын бөлшектер орналасатын кеңістіктік торды айтады.

 

Кристаллография

Кристаллография (грек. krіstallos – мұз, grafo – жазу) – кристалдар мен кристалл заттар туралы ғылым. Ол кристалл заттардың құрамы мен құрылысын, пішінін, физ. пен хим. қасиеттерін, олардың өзара әрі сыртқы ортамен байланысын және кристалдық күйін зерттейді. К. геом., физ. және хим. болып бөлінеді. Геом. К. кристалл заттардың симметриясын, пішінін, кеңістік құрылысының геом. Заңдылықтарын, ал физ. К. кристалдардың физ. қасиеттерін зерттейді. Хим. К. кристалл заттарды хим. құрамымен байланысты қарастырады. Қазіргі кезде химия және физика ғылымдары аралығындағы кристаллографияның салалары жеке ілім – кристаллохимия, кристаллофизика ретінде қарқынды дамуда. К. жеке ғылым ретінде 17 ғ-дың ортасынан дами бастады. Кристалдардың құрылысын зерттеуде рентгенография, электронография, нейтронография, ядр. магниттік резонанс, т.б. тәсілдер қолданылады. К. тәсілдерін белоктар мен нуклеин қышқылдарын зерттеуде қолдану молекулалық биологияның дамуына күшті әсер етті. Кристалдардың пайда болуы және олардың өсу ерекшеліктерін зерттеу К-ның басты міндеттерінің бірі болып табылады. Мұнда кристалдардың өзін қоршаған ортамен өзара әсерін, атом-молек. құрылымы мен қасиеттерінің анизотроптығын ескере отырып, беттік құбылыстардың, фазалық өзгерулердің заңдылықтарын және термодинамик. жалпы принциптері пайдаланылады. Осыған байланысты жасанды кристалдар алу өндірісі қарқынды дамуда. К. сұйық кристалдар мен полимерлердің құрылымы мен қасиеттерін зерттеуде де қолданылады.

Ұқсастықтары және айырмашылықтары. Физикада қатты дене деп тек кристалл денелерді айтады. Аморфты денелердің сырт қарағанда көлемін және пішінін сақтауы оларды қатты дене етіп көрсеткенімен, бұл денелер өте тұтқыр сұйық деп қарастырылады. Температура жоғарылаған сайын олардың сұйыққа тән қасиеттері бірден көріне бастайды, бірте-бірте еріп, сүйықтың барлық қасиеттеріне ие болады.
Аморфты денелер – изотропты. Кристалдың қасиеттері әр түрлі бағыттарда түрліше болады. Кристалдар – анизотропты.
Аморфты денелер. Атомдарының ретті орналасуы алыс қашықтықтарда да қайталанып отыруымен сипатталатын кристалдық денелерден аморфты денелердің айырмашылығы, мұнда тек жуық тәртіп қана орын алады. Кейбір заттар кристалл және аморфтық түрде де бола алады.
Кристалдар. Өзінің формасын да, көлемін де сақтайтын затты қатты дене деп атайтынымыз белгілі. Бірақ бұлар заттың қатты күйін тек сыртқы түріне қарап қана сипаттайды. Физикалық тұрғыдан алғанда біз бұл белгілеріне қарап қатты күйді сұйық күйден айыра аламыз.
Кристалдардың ішкі құрылымсын рентген сәулелерінің көмегімен зерттеулер олардағы бөлшектердің (молекулалар, атомдар және иондардың) дұрыс орналасатынын көрсетті, яғни олар кристалдық (кеңістіктік) тор түзейді. Кристалдық тордағы қатты дененің бөлшектерінің ең орнықты тепе-теңдік қалпына сәйкес нүктелері тордың түйіндері деп аталады.
Кеңістіктік тор. Криталдағы бөлшектердің дұрыс орналасуын кристалдардың кейбір қасиеттерінің бағытқа тәуелділігі, яғни анизотропиясы шығады.
Анизотропия қасиетінің тек монокристалдарға ғана тән болатындығын да айта кетейік. Қатты денелердің көпшілігінің құрылымы поликристалды (грек. поли - көп), яғни микроскоппен ғана көруге болатын өте ұсақ кристалдардың жиынтығынан тұрады. Поликристалды денелер мен аморфты денелердің айырмашылығы мынада: поликристалдық денелердің анизотропия байқалатын өте кішкентай бөлігін бөліп алуға болады, ал аморфты денелердің кез-келген бөлігін қарастырсақ та, ол әрқашан изотропты.
Кристалдық құрылымдардың түрлері. Кристалдардың әр түрлі типтерін және кристалдық торда орналасу мүмкіндіктерін кристаллография зерттейді. Кристал торының түйіндерінде орналасқан бөлшектер арасында әрекет ететін күштердің сипаты бойынша кристалдық құрылымдарды төрт түрге бөледі: иондық, атомдық, молекулалық және металдық.
Тор түйіндерінде бейтарап атомдардың болуымен сипатталатын құрылым, атомдық кристалдық құрылым деп аталады. Олар коваленттік байланысқан. Коваленттік байланыс деп іргелес орналасқан екі атомның өзара екі валенттік электрондар алмасуы кезінде туатын тартылыс күшінің салдарынан пайда болатын байланысты атайды.
Деформация - өзара әрекеттесуші екі дененің жанасуы кезінде оларды құрайтын жеке бөліктері қозғалысқа келеді де, бұл денелердің пішіні мен өлшемі өзгереді. Мысалы, серіппе денеге әрекет ете отырып созылады, жұка таяқша иіледі, қолдың бұлшық еттері қатаяды. Дене пішінінің немесе өлшемдерінің өзгеруін деформация (латынша деформация - бүліну, бұзылу) деп атайды. Күштің өзгеруіне байланысты дененің формасы өзгереді немесе деформацияланады. Деформация денелердің өзара әрекеттесуі кезінде жүзеге асатындықтан, өзара әрекеттесетін екі дене де деформацияланады. Атомдардың арақашықтығын өзгерткенде, олардың арасындағы күштер де өзгеріске ұшырайды және ол күштер денені бастапқы қалпына әкелуге тырысады. Деформация пластикалық және серпімді болып бөлінеді. Күштің әрекеті тоқтағаннан кейін, дене өзінің бастапқы пішіні мен өлшемін өзгертетін болса, мұндай деформация пластикалық деп аталады.

Пластикалык деформациядан кейін дене өзінің жаңа пішіні мен өлшемін толығымен немесе жартылай сақтайды және ондай дене пластикалық дене деп аталады.Мысалы, пластилиннен немесе саздан көп күш түсірмей-ақ қандай да бір пішіндегі дене жасауға болады. Ал колымыздың пластилинге әрекет етуі тоқтағаннан кейін ол өзінің жаңа пішінін сактайды. Күштің әрекеті тоқтағаннан кейін дененің бастапқы пішіні мен өлшемі қайтадан қалпына келетін болса, мындай деформация серпімді деп аталады.

 

Дене пішінінің немесе өлшемінің өзгеруі деформациядеп аталады

 

пластикалық

серпімді

 

Сыртқы күштің әсері тоқтағаннан кейін бастапқы пішіні мен өлшемін өзгертетін болса, пластикалық деформация деп аталады		Сыртқы күштің әсері тоқтағаннан кейін бастапқы қалпына қайтып келсе, серпімді деформация деп аталады. Серпінді деформация түрлері: созылу, сығылу, майысу, ығысу, бұралу
Мысалы: пласталиннен жасалған денелер, майысқан сымдар, саздан жасалған әр түрлі денелер, т.б.		Мысалы: допты тепкенде, серіппені созғанда немесе жиырғанда, ауа шарын үргенде, т.б.

Деформацияланған денені қалпына келтіретін қандай күш деген сұрақ туады. Дененің деформациясы кезінде, дененің бастапқы қалпын мен өлшемін сақтайтын кері күш пайда болады. Бұл күш атом және молекула арасында электромагниттік әсерлесу кезінде пайда болады. Мұндай күшті серпімділік

күші деп атайды. Мысалы, допты тепкен кезде, ол өзінің пішінін өзгертеді, яғни деформацияланады Серіппеге қандай да бір күшпен әрекет ете отырып, оны созуға емесе қысуға болады. Деформациялаушы күш токтағаннан кейін серпімділік күші денені бастапқы қалпына келтіреді. Сол сияқты ауа шарын үрлеуді тоқтатсак, ол да бастапкы пішінін алады. Дененің деформациялануы артқан сайын Бұл кезде пайда болатын серпімділік күші де артады. Ал түсірілген күштің шамасы белгілі бір шектен асқанда (әр түрлі материалдар үшін түрліше), денелер серпімділік қасиетін жоғалтып, ең соңында пластикалық сипат танытады. Мысалы, ағаш сызғышты аздап иіп, сонан соң қайтадан босатсақ, онда ол бастапқы қалпына келеді.Ал егер оны июге едәуір көп күш жұмсайтын болсақ, сызғыш морт сынады. Металдардың, әсіресе болаттың серпімділік қасиеті едәуір жоғары болады.
Күнделікті өмірде пайдаланылатын көптеген нысандарды (тұрғын үйлерді, күнделікті өмірде кеңінен пайдаланатын нәрселерді) көбінесе қатты әрі берік материалдардан жасайды. Ондай материалдардың деформациясын (созылуын немесе сығылуын) жай көзбен байқап, сезіну мүмкін емес. Ал енді бір мезет көз алдымызға жұмсак еденді, үстелді, ыдысты елестетіп кәрейікші.Әрине, мұндай оңай деформацияланатын әлемде өмір сүру де өте қиын болар еді.

1-тәжірибе:

Серіппені штативке іліп, оған массасы белгілі жүктерді іліп созылуын бақылаймыз. Әрбір жүкті ілген сайын созылуын сызғышпен өлшеп, белгілеп алып отырамыз. Қорытынды: серіппеге неғұрлым көбірек жүк ілсек ол көбірек созылады

Тәжірибе

Қатаңдығы басқа серіппені штативке іліп, оған алдыңғы серіппеге ілген жүктерді ретімен іліп п созылуын бақылаймыз. Әрбір жүкті ілген сайын созылуын сызғышпен өлшеп, белгілеп алып отырамыз. Алдыңғы серпіппенің ұзаруымен салыстырып қорытынды жасаймыз: серіппенің созылуы оның жасалған материалына тәуелді

Деформация формуласы

Бұл жерде — Элементтің деформациядан кейінгі ұзындығы, — Элементтің ұзындығы

Серпімді деформацияның шамасы түсірілген күшке тура пропорционал (деформацияланған бөлшектердің орын ауыстыруына қарама-қарсы бағытталған), яғни Fсерп=-k∆x. ∆x=x-x0, k-дененің қатаңдығы, ∆x = ℓ-ℓ – дененің созылу шамасы (деформация)

Бұл заңды 1660 жылы ағылшын физигі Роберт Гук ашқан, сондықтан Гук заңы деп аталады. K – қатаңдық, өлшем бірлігі - Н/м. Гук заңы серпімді денелер үшін ғана қолданылады.

Деформацияның түрлері. Қайсыбір себептердің әрекетінен дене пішінінің (формасының) немесе көлемінің өзгеруін деформация деп атайды.
1. Түсірілген күштің әрекетінен дене ұзындығының бір бағытта созылуын бойлық созылу деформациясы деп атайды.
2. өзін бір бағытта сығып жатқан күштің әрекетінен дене ұзындығының кемуі бойлық сығылу деформациясы деп атайды.
3. Денені барлық бағытта созып жатқан күштің әрекетінен дене көлемінің ұлғаюы барлық жаққа созылу деформациясы деп аталады.
4. Жан-жақтан сығатын күштің әрекетінен дене көлемінің кемуі барлық жақтан сығылу деформациясы деп аталады.
5. осіне перпендикуляр күштің әрекетінен шыбықтың майысуы көлденең майысу деформациясы деп аталады.
6. Дененің параллель қаьбаттарының бір-біріне қатысты қос күштің әрекетінен бұрылуы бұралу деформациясы деп аталады.
7. Дененің параллель қабаттарының бір-біріне қатысты салыстырмалы түрде параллель орын ауыстыруы ығысу деформациясы деп аталады.
Жоғарыда айтылып кеткен деформациялардың әрқайсысы кіші де, үлкен де бола алады. Олардың әрбіреуін rа абсолют деформациямен бағалауға болады. Абсолют деформация дп күш әрекетінен болған дененің қайсыбір өлшемінің сандық өзгерісін атайды. Деформацияланған қатты денедегі ішкі күштердің әрекетін сипаттайтын шама механикалық кернеу деп аталады.
SI жүйесінде бірлігі ретінде қимасының 1м2 ауданына 1 Н ішкі күш әрекет ететін материалдың механикалық кернеуі алынады.
Серпімділік, иілгіштік, морттық және қаттылық. Қатты дененің кез келген деформациясы кезінде ішкі күштердің әрекетінен денені құрайтын бөлшектер бір-біріне қатысты ығысады. Бұл материалда деформацияға қарсы әрекет ететін күштерді тудырады. Серпімділік күштері деп аталатын осы күштер деформацияланған дененің ішінде, оның жеке бөліктерінің арасында, дененің джеформациясын тудыратын басқа денелерге де әрекет етеді. Олар деформацияланған дененің бұрынғы пішінін және көлемін қалпына келтіруге тырысады. Деформацияланған дененің сыртқы күштердің әрекеті тоқтағаннан кейін өзінің бұрынғы пішіні мен көлемін қабылдау қасиеті серпімділік деп аталады. Денеге түсірілдген сырқы күштердің әрекеті тоқтаған бойда жоғалатын дененің деформациясы серпімді деформация деп аталады.
Денеге түсірілген сырқы күштердің әрекеті тоқталған кейін де деформацияны сақтап қалу қасиеті иілгіштік (пластьикалық) деп аталады.
Іс жүзінде аз жүктемелер кезінде серпімді деформацияланатын, ал сырқы жүктемені арттырған кезде қалдық деформация пайда болмастан бұрын қирайтын материалдар кездеседі. Мұндай метериалдар морт материалдар деп аталады (шыны, кірпіш, керамика).
Материалдың қаттылығын түрліше күштермен анықтайды. Көбіне қаттырақ материалдар деп екінші материалдың бетіне сызған кезде із қалдыратын материалды айтады. Ең қатты материал – алмаз.
Гук заңы. Серпімділік модулі. Серпімді деформация мен материалдардағы ішкі күштердің арасындағы байланысты тұңғыш тағайындаған ағылшын ғалымы Р.Гук. Гук заңының тұжырымдамасы мынандай: серпімді деформацияланған денедегі механикалық кернеу осы дененің салыстырмалы деформациясына тура пропорционал.
Материалдағы механикалық кернеудің зат тегіне және сыртқы шарттарға тәуелділігін сипаттайтын k шамасы серпімділік молулі деп аталады. Серпімділік молулі материалдағы салыстырмалы серпімді деформация бірге тең кезде пайда болатын механикалық кернеумен өлшенеді.
Балқу және кристалдану. Балқу температурасы. Заттың қатты күйден сұйық күйге өтуі балқу, ал сүйық күйден қатты күйге өтуі қатаю немесе кристалдану деп аталады.
Заттың балқу немесе қатаю поцесстері кезінде оның ішкі энергиясының заттың тегіне және сыртқы шарттарға тәуелділігін сипаттайтын шамасы меншікті балқу жылуы деп аталады. Ол осы заттың балқу температурасында алынған бірлік массасын балқытуға қажетті жылу мөлшерімен өлшенеді.
Заттың қалыпты атмосфералық қысым кезінде балқу температурас заттың балқу нүктесі деп аталады. Қатты денелердің кебуі сүйықтардың білануына ұқсас. Қатты денелердің кебуі сублимация немесе құрғау деп аталады. Көбіне газ күйінен сүйық күйге тоқтамай, бірден қатты күйге өтетін кері процесті де бақылауға болады (десублисация). Бұған терезе әйнегіндегі қырау мысал бола алады, бұл ауадағы су буының бірден мұзға айналуы.
Берілген зат үшін осы заттың үш фазасы да тепе-теңдікте болатын С нүктесінде р және Т шамаларының бір ғана мәні сәйкес келеді. Зат күйлерінің диаграммасындағ С нүктесін заттың барлық үш фазасының арасындағы тепе-теңдікті өрнектейтін үштік нүкте деп атайды. Судың үштік нүктесінде қысым 610 Па, ал температура 273,16 К.
Фазалық өту заттың ішкі энергиясының өзгерісіне байланысты және фазалық түрлену жылуын жұту (немесе шығару) арқылы жүреді, яғни балқу (кристалдану) жылуы, булану (конденсациялану), сублимация (десублимация) жылуы.

Орытындылау

· Серпімділік күші әсерлесуші екі бөлшектің ара қашықтығының өзгеруіне байланысты болады

· Бұл күш денелерді сыққанда, созғанда және т.б. жағдайларда пайда болады

· Серпімділік күшті Гук заңы арқылы анықтауға болады

· Минус таңбасы серпімділік күшінің деформацияланған бөлшектердің орын ауыстыруына қарама қарсы бағытталғанын көрсетеді

Қызығушылықты ояту
а) Болат шармен ойын добы бір - бірімен соқтығысқаннан кейін қайсысы жылдам қозғалады? Неліктен?
Жауабы: Соқтығысқаннан кейін ойын добы жылдам қозғалады. Өйткені, болат шарға қарағанда оның массасы аз (кіші)
ә) Үлкен жылдамдықпен келе жатқан машинаның алдына неліктен жүгіріп шығуға болмайды? Бұл қандай құбылыс?
Жауабы: Машина үлкен жылдамдықпен келе жатқанда тежеуішін басса да, ол жылдамдығын сақтап қалуға тырысады. Инерцияның сақталу заңы.
б) Массасы 100 г және 1кг екі дене соқтығысқаннан кейін қайсысының жылдамдығы артады?
Жауабы: Массасы 100г дененің жылдамдығы артады.
в) Бір қалыпты қозғалып келе жатқан арбада отырған бала жоғары қарай доп лақтырса, баланың лақтырған добы қолына қайта дәл түсе ме? Осы құбылысты түсіндір.
Жауабы: Түспейді. Себебі бала арбамен бірге лақтырған доппен салыстырғанда орын ауыстырады. Бұл қозғалыстың салыстырмалылығы.
г) Егер екі дене соқтығысқаннан кейін оның біреуі - 0,007 м/с, ал біреуі - 0,5 м/с жылдамдықпен қозғалса, онда денелердің қайсысының массасы кіші болады?
Жауабы: Жылдамдығы 0, 5м/с дененің массасы кіші

Тәжірибеге сәйкес температура жоғарылаған сайын қатты денелер мен сұйықтардың көлемі артатыны белгілі.

Қатты дене мен сұйықта берілген температурада молекулалар бір-бірінен белгілі қашықтықтарда орналасады да, тепе-теңдік қалыптарының маңында тербеліп тұрады. Температураның жоғарылауымен тербеліс энергиясы артады. Басқаша сөзбен айтқанда температура артқан сайын молекулалар бір-бірінен қашықтайды.

Тәжірибелердің көрсетуіне қарағанда абсолют нөлден алшақ тұрған температура аралығында көлемнің салыстырмалы өзгерісі температураның өзгерісіне пропорционал:

,

мұндағы b-көлемдік ұлғаю коэффициенті, яғни 1 Кельвинге келетін көлемнің салыстырмалы өзгерісі. DV=V-V₀, бұнда V₀ – t₀=0⁰C температураға сәйкес дененің көлемі және DT=t-t₀=t деп алсақ, онда V=V₀(1+bt). Дененің тығыздығы үшін осыған ұқсас r=r₀(1+bt).

Көлемдік жылулық ұлғаю қатты денелер мен сұйықтарға бірдей қатысты болса, сызықтық жылулық ұлғаю тек қатты денелерге ғана тән.

Сызықтық жылулық ұлғаю берілген температуралық аралықта сызықтық ұлғаю коэффициентімен сипатталады: l=l₀(1+at), мұндағы l₀- дененің t₀=0⁰C температура кезіндегі ұзындығы, l-дененің t температурадағы ұзындығы a шамасы 1 Кельвинге келетін ұзындықтың салыстырмалы өзгерісі.

Қатты денелердің басым көпшілігі үшін a=(10^-5 – 10^-6) К^-1, яғни іс жүзінде температура тәуелсіз деп есептеуге болады.

Ал температура аралықтары үшін сызықтық және көлемдік ұлғаю коэффициенттерінің байланысы мына өрнекпен беріледі: b≈3a.

6.4 Үлестірмелі материал: электрондық кітаптар, тесттер, карточкалар

6.5 Пайдаланған әдебиеттер:

1. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық/ Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев.-Өңд., толықт. 2-бас. Алматы: Мектеп, 2010-384 б., сур.

2. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық/ С.Тұяқбаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Алматы: “Мектеп” баспасы. -384 б., сур.

3. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. – Алматы, Мектеп, 1,2,3 том, 2000

4. Волькенштейн В.С. Жалпы физика курсының есептер жинағы. – М., Наука, 2000

5. Иродов И.Е. Жалпы физика курсының есептер жинағы. М: Наука, 2006

6.6.Бақылау сұрақтар:

1. Кристалдар дегеніміз не?

2. Деформация дегеніміз не?