Н.Н. Жантурина Қатты дене физикасы

Оқу құралы

Ақтөбе

2016

Қатты дене физикасы Оқу құралы

Қ. Жұбанов атындағы АӨМУ Ақтөбе 2016 ӘӨЖ: 531.91(075)

Жантурина Н.Н. Қатты дене физикасы: Оқу құралы.- Ақтөбе: Қ. Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті, 2016. -105 б.

Оқу құралында қатты дене физикасының тараулары бойынша қысқаша теориясы, есептер шығару мысалдары, есептер, тест сұрақтары келтірілген. Мазмұны кристаллография және кристалдық тор физикасы, металдардың, шалаөткізгіштердің және диэлектриктердің серпімді, жылулық, электр және оптикалық қасиеттері секілді сұрақтарды қамтиды. Оқу құралы 9 тараудан тұрады. Оқу құралын жоғары оқу орындарының студенттеріне, магистранттарына қолдануға болады. Жантурина Н.Н., 2016

 Қ. Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университет, 2016

Мазмұны

Кіріспе.............................................................................................................			4
1 Тарау.	Қатты денелердегі байланыстың негізгі түрлері....................................................................................	5
2 Тарау.	Қатты денелердің ішкі құрылымы. Кері тор......	14
3 Тарау.	Кристалдардағы дифракция.....................................	27
4 Тарау.	Кристалдардың серпімді қасиеттері....................	38
5 Тарау.	Тор динамикасы...............................................................	47
6 Тарау.	Қатты денелердің жылулық қасиеттері.............	56
7 Тарау.	Металлдардағы электрондар. Еркін электрондық газ............................................................	68
8 Тарау.	Қатты денелердің зоналық теориясы. Қатты денелердің электр қасиеттері..................................	80
9 Тарау.	Кристалл торының ақаулары. Қатты денелердегі диффузия...................................................	92
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі................................................			105
Қосымшалар

1 Тарау. Қатты денелердегі байланыстың негізгі түрлері

Заттың қатты күйінің болу мүмкіндігі бірі біріне өте қатты жақындаған кезде құрылымдық бөлшектердің арасында әсерлесу күштердің пайда болуымен қамтамасыздандырылады. Ондай бөлшектер ретінде атомдар, иондар немесе молекулалар қарастырылады. Қатты дененің тұрақты құрылымы пайда болу үшін бөлшектер арасында екі түрлі күштер әсер ету қажет: бөлшектердің бір бірінен алшақтамау үшін әсер ететін тартылыс күштері және бөлшектер бірігіп кетпеу үшін әсер ететін тебу күштері. Бұл күштердің табиғаты электростатикалық болып келеді: әртекті зарядталған бөлшектердің тартылуы (электрондар және ядролар) және біртекті бөлшектердің тебуі (электрондар және электрондар, ядромен ядро). Атомаралық әсерлесудің күштерінің сипаты әсерлесетін атомдардың электрондық қабықшаларының құрылымымен анықталады.

Кез келген атомдар және молекулалар арасында пайда болатын байланыстың жалпы түрі – ол Ван-дер Ваальс байланысы. Жалпы, Ван-дер Ваальс байланысы болып есептеленетін дисперсиялық, бағыттаушы және индукциялық әсерлесу. Көршілес атомдардағы электрондардың келісілген қозғалысы нәтижесінде пайда болатын байланыс күштері дисперсиялық деп аталады. Егер молекулалар тұрақты дипольдық моментке ие болса, яғни полярлы болса, олардың арасында молекулаларды нақты бір ретпен орналастыруға тырысатын электростатикалық әсерлесу пайда болады. Байланыстың бұл түрі бағыттаушы деп аталады. Мұндай орналасу кезінде жүйе энергиясы төмендейді. Молекулалардың бағытымен анықталатын жүйе энергиясы температурадан қатты тәуелді болып келеді. Жоғары полярланғыштыққа ие полярлы молекулаларда көршілес молекулалардың тұрақты дипольдарының өрісі әсерінен келтірілген (индуцирленген) момент пайда болуы мүмкін. Мұндай әсерлесу индуцирленген немесе деформациялыққа жатады. Жалпы жағдайда екі молекула жақындағанда байланыстың үш түрі де бақыланады және әсерлесу энергиясы дисперсиялық, бағыттаушы және индуцирленген әсерлесу энергияларының қосындысынан тұрады. Ковалентті байланыс (валентті немесе гомеополярлық) электрондар көршілес атомдармен ортақтындырылған жағдайда осы электрондар арасындағы әсерлесу арқылы пайда болады. Иондық (полярлы) байланыс иондық кристалдарда оң және теріс зарядталған иондар арасындағы кулондық әсерлесумен сипатталады. Иондық кристалдардың кең тараған және белгілі өкілдері болып келетін сілтілі металдардың галогенидтері, мысалы, NaCl және CsCl құрылымына сай кристалдар.

Сыртқы валентті электрондары ядромен салыстырмалы түрде әлсіз байланыста болатын электрооң элементтердің атомдарының әсерлесуі металдық байланысқа жауап береді. Металл торындағы байланыс оң иондардың электрондық газбен әсерлесуіне тиесілі.

Егер сутегі атомы қатты электротеріс атомымен байланыста болған жағдайда, мысалы, оттегі, фтор, хлор атомымен, сутекті байланыс орын алады. Мұндай атом байланыс электрондарын тартады және теріс зарядқа ие болады; байланыс электронынан айырылған сутегі атомы оң зарядталады. Сутекті байланыс осы зарядтардың электростатикалық тартылысымен құралады.

Кейбірде қатты денелердің топтастыру негізіне атомаралық байланыстардың сипатын салады. Осы топтастыруға жүгінсек, қатты денелерді төрт топқа бөледі: металдық, ковалентті, иондық және молекулалық кристалдар. Органикалық емес заттардың сутекті байланысты кристалдарын бөлек топқа жатқызады.

Кристалдың байланыс энергиясы – бұл денені бір бірінен шексіз қашықтықта орналасқан бөліктерге бөлу үшін қажетті энергия. Молекулалық және иондық кристалдардың байланыс энергиясын есептеген кезде осы кристалдардағы электрондар конфигурациясы оқшауланған атомдардағы немесе иондардағы конфигурациядан айырмашылығы аз болғандықтан, кристалдық құрылымды құрайтын сфералық симметриялық бөлшектердің жүйесінің классикалық потенциалды энергиясының есептеуімен шектеледі. Жүйенің толық потенциалды энергиясы тор түймелерінде орналасқан және кинетикалық энергиясы елеусіз аз әсерлесетін бөлшектер арасындағы қашықтықтан ғана тәуелді. - бөлшектерден тұратын кристалдың толық потенциалды энергиясы. , (1.1)

мұнда - i-нші бөлшектің тордың басқа бөлшектерімен әсерлесу энергиясы, – арақашықтығы _.болатын кристалдағы бөлшектердің әсерлесуінің потенциалды энергиясы. Атомдардың әсерлесуінің толық потенциалды энергиясы тартылыс күштердің энергиясының (теріс мүше) және тебу күштерінің энергиясының (оң) қосындысынан тұрады.

(1.2)

болған кейбір мәнде энергия минималды болып келеді, бұл келесі күшке сәйкес . (1.3)

Бұл жағдайда тұрақты конфигурациялы молекула пайда болады, тартылыс күші және тебу күші теңескен .

Тартылыс күштерінің потенциалы беріледі, мұнда - оң константа, – дәреженің оң көрсеткіші. = 1 болған жағдайда потенциал әртекті зарядталған иондардың арасындағы қарапайым кулондық әсерлесуге сәйкес келеді, = 6 – инертті газдардың атомдарының арасындағы әсерлесу кезіндегі тартылыс потенциалына. Тебу күштерінің потенциалы = , мұнда және - тұрақтылар. Екі атомның әсерлесуінің толық потенциалды энергиясы . (1.4)