ҚАТТИҚ ЖИСМ

ҚАТТИҚ ЖИСМ — модданинг шакли турғун агрегат ҳолати. Бу ҳолатда модда атомларининг иссиқлик ҳаракати уларнинг мувозанат вазиятлари атрофида кичик тебранишларидан иборат бўлади. Кристалл ва аморф Қ ж. лар мавжуд. Кристалларда атомларнинг мувозанат вазиятлари фазода даврий жойлашади. Аморф жисмлард а атомлар тартибсиз жойлашган нуқталар атрофида тебранади. Қаттиқ жисмнинг турғун (энг кичик ички энергияли) ҳолати кристалл ҳолатдир. Термодинамик нуқтаи назардан аморф жисм метатурғун ҳолатда бўлади ва вақт ўтиши билан кристалланиши керак. Табиатдаги барча моддалар (суюқ гелийдан ташқари) атм. босимида ва Т>0 К трада қотади. Қаттиқ жисм хоссаларини унинг атоммолекуляр тузилишини ва зарралари ҳаракатини билган ҳолда тушунтириш мумкин. Қж. нинг макроскопик хусусиятлари ҳақидаги маълумотларни тўплаш ва тартиблаштириш 17-асрдан бошланган. Қаттиқ жисмга механик куч, ёруғлик, электр ва магнит майдон ва ҳ. к. нинг таъсирини ифодаловчи бир қатор эмпирик қонунлар очилди: Гук қонуни (1660), Дюлонг ва Пти қонуни (1918), Ом қонуни (1826), Видеман — Франц қонуни (1835) ва бошқалар Қаттиқ жисм атомлар, молекулалар ва ионлардан тузилади. Қаттиқ жисмнинг тузилиши атомлар орасидаги таъсир кучига боғлиқ. Бир хил атомларнинг ўзи турли структураларни ҳосил қилиши мумкин (кул ранг ва оқ қалай, графит ва олмос ва ҳ. к.). Ташқи босим ёрдамида атомлараро масофани ўзгартириб, Қаттиқ жисмнинг кристалл тузилишини ва хоссаларини тубдан ўзгартириш мумкин. Кўпгина яримўтказгичлар босим остида металл ҳолатга ўтади (олтингугурт 8 120000 атм. босими остида металлга айланади). Ташқи босим туфайли 1 атомга тўғри келадиган ҳажм атомнинг одатдаги ҳажмидан кичик бўлиб қолганда атомлар ўз индивиаллигини йўқотади ва модца ўта сиқилган электронядровий плазмага айланади. Модданинг бундай ҳолатини ўрганиш, хусусан, юлдузларнинг структурасини тушуниш учун жуда муҳим. Қаттиқ жисмнинг тузилиши ва хоссаларининг ўзгариши (фазавий ўтишлар), т-ра ўзгарганда, магнит майдон таъсирида ва бошқалар ташқи таъсирлар натижасида ҳам юз бериши мумкин.

Боғланишларнинг тури бўйича Қаттиқ жисм бир-биридан электронларнинг фазовий тақсимоти билан фарқ қиладиган 5 синфга ажралади:

1) ионли кристалларда (№С1, КС1 ва бошқалар) ионлар орасида асосан электростатик тортишиш кучлари таъсир этади;

2) ковалент боғланишли кристалларда (олмос, Ое, 81) қўшни атомларнинг валент электронлари умумийлашган бўлади. Кристалл улкан молекулага ўхшайди;

3) кўпчилик металларда боғланиш энергияси ҳаракатланаётган электронларнинг ион асос билан ўзаро таъсири туфайли ҳосил бўлади (металл боғланиш);

4) молекуляр кристалларда молекулалар уларнинг динамик қутбланиши туфайли пайдо бўладиган заиф электростатик кучлар (ВандерВаальс кучлари) ёрдамида боғланади;

5) водород боғланишли кристалларда водороднинг ҳар бир атоми тортишиш кучлари ёрдамида бир вақгнинг ўзвда 2 та бошқа атом билан боғланади. Боғланишлар тури бўйича тасниф шартли бўлиб, кўпгина моддаларда турли боғланишларнинг комбинацияси кузатилади.

Қаттиқ жисм даги атомлар орасидаги таъсир кучлари турлитуман бўлишига қарамай, электростатик тортишиш ва итаришиш уларнинг манбаи бўлиб хизмат қилади. Атом ва молекулалардан турғун Қаттиқ жисмнинг ҳосил бўлиши тортишиш кучлари ~108 см масофаларда итаришиш кучлари билан мувозанатлашишини кўрсатади. Баъзи ҳолларда атомларни қаттиқ шарчалар деб қараш ва уларни атом радиуслари билан ифодалаш мумкин.

Барча Қаттиқ жисм етарлича юқори трада эрийди ёки буғланади. Бундан фақат қаттиқ гелий мустасно: у (босим остида) т-ра пасайганда эрийди. Эриш жараёнида жисмга берилган иссиқлик атомлараро боғланишларни узишга сарфланади. Турли табиатли Қж. нинг эриш тралари Тэ турлича (мас, мол. водородники — 259,1°, вольфрамники 3410±20°, графитники 4000° дан юқори). Қаттиқ жисмнинг механик хусусиятлари у тузилган зарралар орасидаги боғланиш кучлари билан аниқданади. Бу кучларнинг турлитуман бўлиши механик хусусиятларнинг ҳам турлича бўлишига олиб келади: баъзи бир Қаттиқ жисм пластик, бошқалари мўрт. Одатда, металлар диэлектрикларга нисбатан пластикроқ бўлади. т-ра қўтарилиши билан одатда пластиклик ортади. Унча катта бўлмаган кучланишларда барча Қаттиқ жисмда эластик деформация кузатилади. Кристалларнинг мустаҳкамлиги атомлар орасидаги боғланиш кучларига мувофиқ келмайди. 1922 йилда А. Ф. Иоффе реал кристалларнинг мустаҳкамлиги пастлигини уларнинг сиртидаги макроскопик дефектларнинг таъсири деб тушунтирди (Иоффе эффекти). 1933 йилда Ж. Тейлор, Э. Орован (АҚШ) ва М. Поляни (Буюк Британия) дислокацияшр тушунчасини таърифлади. Катта механик кучланишлар остида кристалл ўзини қандай тутиши дислокация ва кристалл панжаранинг бошқа чизиқли дефектлари борйўқлигига боғлиқ. Қаттиқ жисмнинг пластиклиги кўп ҳолларда дислокацияларга, механик хусусиятлари унга нуқсонларни киритувчи ёки йўқотувчи ишлов беришга боғлиқ бўлади. 1926 йилда Я. И. Френкель реал кристаллда панжаранинг нуқтавий дефеқтлари (вакансиялар, тугунлараро атомлар) бўлишига эътиборни жалб этди ва уларнинг Қаттиқ жисм даги диффузия жараёнларидаги ролини кўрсатди.

Қаттиқ жисм даги атомлар ва ионлар ҳаракатининг тебраниш характерига эга бўлиши эриш т-раси Т3 гача сақланади. Ҳатто Т=Тэ да ҳам атомларнинг тебраниш амплитудаси атомлараро масофалардан анча кичик бўлади, эриш эса Т>Тзаа суюқликнинг термодинамик потенциали Қаттиқ жисм никидан кичик бўлиши туфайлидир.

Кристалл панжара динамикасининг назарияси 20-аср бошида ишлаб чиқилди. У квант назариясини ҳисобга олади. Кристалл панжара атомлари тебранма ҳаракатининг квантланиши фонон тушунчасига олиб келди (И. Е. Тамм, 1929) ва Қаттиқ жисм иссиқлик хоссаларини квазизарралар — фононлар — гази хоссалари сифатида тавсифлаш имконини берди.

Электрон кашф этилиши билан Қаттиқ жисмнинг электрон назарияси ривожлана бошлади. Немис физиги П. Друде (1900) қуйидаги фаразни илгари сурди: металлардаги валент электронлар атомлар билан боғланмаган бўлиб, кристалл панжарани тўлдирувчи эркин электронлар газини ҳосил қилади ва одатдаги сийраклашган газга ўхшаб, Больцман таксимотита бўйсунади. Бу моделни голланд физиги Х. А. Лорентц ривожлантирди. Бу назария металларнинг бир қанча хоссаларини тушунтириб берди. Бироқ унинг асосида ҳисоблаб топилган иссиқлик сиғимидаги электронларнинг ҳиссаси тажрибадан кескин фарқ қилди. Металлардаги электрон газни тавсифлашда квант механика ва квант статистика услублари (ФермиДирак тақсимоти)ни қўллаш (1927—28, немис физиги А. Зоммерфельд; Я. И. Френкель) Қаттиқ жисм даги кинетик ҳодисалар (электр ва иссиқлик ўтказувчанлик, гальваномагнит ҳодисалар ва бошқалар)нинг квант назариясини ривожлантириш учун асос яратди. Т=0 да металлдаги электронларнинг маълум бир максимал сатҳ (Ферми энергияси) гача бўлган барча энергия сатҳлари тўлган бўлади. т-ра ортганда электронларнинг озгина қисмигина бу сатҳцан юқорироқ сатҳларга ўтади. Бу ҳол А. Зоммерфельдга (1927) металлар иссиқлик сиғимига электронларнинг ҳиссаси кичик бўлишини тушунтириш имконини берди. Кристалл панжара даврий майдонининг электронлар харакатига таъсирига квант механика нуқтаи назаридан қараш электроннинг кристаллдаги ҳаракатини тушунтиришга ва Қаттиқ жисмнинг замонавий назарияси асоси бўлган зоналар назариясига олиб келди.

1931 йилда инглиз физиги А. Вильсон турли электр хоссаларга эга бўлган Қаттиқ жисм ларнинг мавжуд бўлиши энергетик зоналарнинг Т=0 да электронлар билан тўлиш характерига боғлиқ бўлишини кўрсатди. Агар ҳамма зоналар электронлар билан тўлган ёки бўш бўлса, бундай жисмлар электр токини ўтказмайди, яъни диэлектрик, электронларга қисман тўлган зоналарга эга Қаттиқ жисм металл бўлади. Яримўтказгичлар диэлектриклардан шу билан фарқ қиладики, уларнинг охирги тўлган (валент) зонаси билан биринчи бўш зонаси (ўтказувчанлик зонаси) орасидаги тақиқланган зонанинг кенглиги кичик бўлади. Кристалларда дефект ёки аралашманинг бўлиши тақиқланган зонада қўшимча энергетик сатҳларнинг пайдо бўлишига олиб келади. Валент зонаси ва ўтказувчанлик зонаси жуда кам туташган Қаттиқ жисм яримметаллар деб аталади. Тирқишсиз яримўтказгичлар ҳам бўлади; уларнинг ўтказувчанлик зонаси валент зонага тегиб туради. Металларда Ферми сатҳи тақиқланмаган зонада, яримўтказгичларда Ферми сатҳи тақиқланган зонада жойлашади. Тирқишсиз яримўтказгичларда Ферми сатҳи валент зонасини ўтказувчанлик зонасидан ажратувчи чегара билан мос тушади. Электрон ўтказувчанлик зонасига ўтганда валент зонада бўш ўрин — ковак ҳосил бўлади. Ўтказувчанлик электронлари ва коваклар яримўтказгичлардаги заряд ташувчилардир.

Абдураим Узоқов.

Loading...