Պինդ նյութերն այն նյութերն են, որոնք կարողանում են մարմիններ կազմել և ծավալ ունենալ: Նրանք իրենց ձևով տարբերվում են հեղուկներից և գազերից։ Պինդները պահպանում են մարմնի ձևը այն պատճառով, որ դրանց մասնիկները չեն կարողանում ազատ տեղաշարժվել։ Նրանք տարբերվում են իրենց խտությամբ, պլաստիկությամբ, էլեկտրական հաղորդունակությամբ և գույնով։ Նրանք ունեն նաև այլ հատկություններ. Այսպիսով, օրինակ, այդ նյութերի մեծ մասը հալվում է տաքացման ժամանակ՝ ձեռք բերելով ագրեգացման հեղուկ վիճակ։ Դրանցից մի քանիսը տաքանալիս անմիջապես վերածվում են գազի (սուբլիմացիայի)։ Բայց կան նաև այնպիսիք, որոնք քայքայվում են այլ նյութերի։
Պինդ մարմինների տեսակները
Բոլոր պինդ մարմինները բաժանված են երկու խմբի:
- Ամորֆ, որում առանձին մասնիկներ դասավորված են պատահականորեն։ Այսինքն՝ չունեն հստակ (սահմանված) կառուցվածք։ Այս պինդ մարմինները կարող են հալվել որոշակի ջերմաստիճանի միջակայքում:Դրանցից ամենատարածվածները ներառում են ապակի և խեժ:
- Բյուրեղային, որոնք իրենց հերթին բաժանվում են 4 տեսակի՝ ատոմային, մոլեկուլային, իոնային, մետաղական։ Դրանցում մասնիկները տեղակայված են միայն որոշակի օրինաչափության համաձայն, այն է՝ բյուրեղային ցանցի հանգույցներում։ Նրա երկրաչափությունը տարբեր նյութերում կարող է շատ տարբեր լինել:
Պինդ բյուրեղային նյութերն իրենց քանակով գերակշռում են ամորֆներին։
Բյուրեղային պինդ մարմինների տեսակները
Պինդ վիճակում գրեթե բոլոր նյութերն ունեն բյուրեղային կառուցվածք։ Նրանք տարբերվում են իրենց կառուցվածքով. Բյուրեղյա վանդակները իրենց հանգույցներում պարունակում են տարբեր մասնիկներ և քիմիական տարրեր։ Նրանց համապատասխան է, որ ստացել են իրենց անունները։ Յուրաքանչյուր տեսակ ունի իրեն հատուկ հատկություններ՝
- Ատոմային բյուրեղային ցանցում պինդ մարմնի մասնիկները կապված են կովալենտային կապով: Այն աչքի է ընկնում իր ամրությամբ։ Դրա շնորհիվ նման նյութերը ունեն բարձր հալման եւ եռման ջերմաստիճան։ Այս տեսակը ներառում է քվարց և ադամանդ:
- Մոլեկուլային բյուրեղյա ցանցում մասնիկների միջև կապն առանձնանում է իր թուլությամբ։ Այս տեսակի նյութերը բնութագրվում են եռման և հալման հեշտությամբ: Ցնդող են, ինչի պատճառով ունեն որոշակի հոտ։ Այս պինդ նյութերը ներառում են սառույցը և շաքարը: Այս տեսակի պինդ մարմիններում մոլեկուլների շարժումները տարբերվում են իրենց ակտիվությամբ։
- Հանգույցների իոնային բյուրեղյա ցանցում համապատասխան մասնիկները հերթափոխվում են՝ դրական լիցքավորված ևբացասական. Դրանք միացված են էլեկտրաստատիկ ձգողականությամբ: Այս տեսակի վանդակավոր գոյություն ունի ալկալիների, աղերի, հիմնական օքսիդների մեջ: Այս տեսակի շատ նյութեր հեշտությամբ լուծվում են ջրի մեջ: Իոնների միջև բավականին ամուր կապի շնորհիվ դրանք հրակայուն են։ Գրեթե բոլորն առանց հոտի են, քանի որ դրանք բնութագրվում են անկայունությամբ։ Իոնային ցանց ունեցող նյութերը չեն կարողանում էլեկտրական հոսանք անցկացնել, քանի որ դրանք չեն պարունակում ազատ էլեկտրոններ։ Իոնային պինդի բնորոշ օրինակ է կերակրի աղը։ Նման բյուրեղյա վանդակը դարձնում է փխրուն: Դա պայմանավորված է նրանով, որ դրա ցանկացած տեղաշարժ կարող է հանգեցնել իոնային վանող ուժերի առաջացմանը։
- Մետաղական բյուրեղյա վանդակում հանգույցներում կան միայն դրական լիցքավորված քիմիական իոններ: Նրանց միջև կան ազատ էլեկտրոններ, որոնց միջով հիանալի անցնում է ջերմային և էլեկտրական էներգիան։ Այդ իսկ պատճառով ցանկացած մետաղ առանձնանում է այնպիսի հատկանիշով, ինչպիսին է հաղորդունակությունը։
Կոշտ մարմնի ընդհանուր հասկացություններ
Պինդներն ու նյութերը գործնականում նույն բանն են: Այս տերմինները վերաբերում են ագրեգացման 4 վիճակներից մեկին։ Պինդ մարմիններն ունեն կայուն ձև և ատոմների ջերմային շարժման բնույթ։ Ընդ որում, վերջիններս փոքր տատանումներ են կատարում հավասարակշռության դիրքերի մոտ։ Գիտության այն ճյուղը, որը զբաղվում է բաղադրության և ներքին կառուցվածքի ուսումնասիրությամբ, կոչվում է պինդ վիճակի ֆիզիկա։ Նման նյութերի հետ կապված գիտելիքի այլ կարևոր ոլորտներ կան: Արտաքին ազդեցության և շարժման տակ ձևի փոփոխությունը կոչվում է դեֆորմացվող մարմնի մեխանիկա։
Պինդ մարմինների տարբեր հատկությունների շնորհիվ նրանք կիրառություն են գտել մարդու կողմից ստեղծված տարբեր տեխնիկական սարքերում: Ամենից հաճախ դրանց օգտագործումը հիմնված էր այնպիսի հատկությունների վրա, ինչպիսիք են կարծրությունը, ծավալը, զանգվածը, առաձգականությունը, պլաստիկությունը, փխրունությունը: Ժամանակակից գիտությունը թույլ է տալիս օգտագործել պինդ նյութերի այլ որակներ, որոնք կարելի է գտնել միայն լաբորատորիայում։
Ինչ են բյուրեղները
Բյուրեղները պինդ մարմիններ են, որոնց մասնիկները դասավորված են որոշակի հերթականությամբ: Յուրաքանչյուր քիմիական նյութ ունի իր կառուցվածքը: Նրա ատոմները կազմում են եռաչափ պարբերական դասավորություն, որը կոչվում է բյուրեղային ցանց։ Պինդ մարմիններն ունեն տարբեր կառուցվածքային համաչափություններ։ Պինդ մարմնի բյուրեղային վիճակը համարվում է կայուն, քանի որ այն ունի պոտենցիալ էներգիայի նվազագույն քանակ:
Պինդ նյութերի ճնշող մեծամասնությունը (բնական) բաղկացած է պատահականորեն կողմնորոշված անհատական հատիկների հսկայական քանակից (բյուրեղներ): Նման նյութերը կոչվում են բազմաբյուրեղ: Դրանք ներառում են տեխնիկական համաձուլվածքներ և մետաղներ, ինչպես նաև բազմաթիվ ապարներ: Միաբյուրեղը վերաբերում է միայնակ բնական կամ սինթետիկ բյուրեղներին:
Ամենից հաճախ նման պինդ մարմինները առաջանում են հեղուկ փուլի վիճակից՝ ներկայացված հալվածքով կամ լուծույթով։ Երբեմն դրանք ստացվում են գազային վիճակից։ Այս գործընթացը կոչվում է բյուրեղացում: Գիտական և տեխնոլոգիական առաջընթացի շնորհիվ տարբեր նյութերի աճեցման (սինթեզի) ընթացակարգը ձեռք է բերել արդյունաբերական մասշտաբ: Բյուրեղների մեծամասնությունը բնական ձև ունի կանոնավոր տեսքովպոլիեդրաներ. Նրանց չափերը շատ տարբեր են: Այսպիսով, բնական քվարցը (ժայռաբյուրեղ) կարող է կշռել մինչև հարյուր կիլոգրամ, իսկ ադամանդը՝ մինչև մի քանի գրամ։
Ամորֆ պինդ մարմիններում ատոմները անընդհատ տատանվում են պատահականորեն տեղակայված կետերի շուրջ: Նրանք պահպանում են որոշակի կարճաժամկետ կարգ, բայց չկա հեռահար կարգ: Դա պայմանավորված է նրանով, որ նրանց մոլեկուլները գտնվում են այնպիսի հեռավորության վրա, որը կարելի է համեմատել դրանց չափերի հետ։ Նման պինդի ամենատարածված օրինակը մեր կյանքում ապակե վիճակն է։ Ամորֆ նյութերը հաճախ համարվում են անսահման բարձր մածուցիկությամբ հեղուկ։ Դրանց բյուրեղացման ժամանակը երբեմն այնքան երկար է լինում, որ ընդհանրապես չի երևում։
Այս նյութերի վերը նշված հատկություններն են, որ դրանք դարձնում են եզակի: Ամորֆ պինդ մարմինները համարվում են անկայուն, քանի որ դրանք ժամանակի ընթացքում կարող են դառնալ բյուրեղային:
Մոլեկուլները և ատոմները, որոնք կազմում են պինդ մարմինը, փաթեթավորված են բարձր խտությամբ: Նրանք գործնականում պահպանում են իրենց փոխադարձ դիրքը այլ մասնիկների նկատմամբ և միասին են պահվում միջմոլեկուլային փոխազդեցության շնորհիվ: Տարբեր ուղղություններով պինդ մարմնի մոլեկուլների միջև հեռավորությունը կոչվում է վանդակավոր պարամետր: Նյութի կառուցվածքը և դրա համաչափությունը որոշում են բազմաթիվ հատկություններ, ինչպիսիք են էլեկտրոնային գոտին, ճեղքումը և օպտիկան։ Երբ պինդ մարմնի վրա բավականաչափ մեծ ուժ է կիրառվում, այդ հատկությունները կարող են այս կամ այն չափով խախտվել: Այս դեպքում պինդ մարմինը ենթակա է մշտական դեֆորմացիայի։
Պինդ մարմինների ատոմները կատարում են տատանողական շարժումներ, որոնք որոշում են նրանց ջերմային էներգիայի առկայությունը: Քանի որ դրանք աննշան են, դրանք կարելի է դիտարկել միայն լաբորատոր պայմաններում: Պինդ մարմնի մոլեկուլային կառուցվածքը մեծապես ազդում է նրա հատկությունների վրա:
Պինդ մարմինների ուսումնասիրություն
Այս նյութերի առանձնահատկությունները, հատկությունները, դրանց որակները և մասնիկների շարժումը ուսումնասիրվում են պինդ վիճակի ֆիզիկայի տարբեր ենթաբաժիններով:
Ուսումնասիրության համար օգտագործվում են ռադիոսպեկտրոսկոպիա, կառուցվածքային անալիզ ռենտգենյան ճառագայթներով և այլ մեթոդներ: Այսպես են ուսումնասիրվում պինդ մարմինների մեխանիկական, ֆիզիկական և ջերմային հատկությունները։ Կարծրությունը, ծանրաբեռնվածության դիմադրությունը, առաձգական ուժը, փուլային փոխակերպումները ուսումնասիրվում են նյութագիտության կողմից։ Այն հիմնականում արձագանքում է պինդ վիճակի ֆիզիկային: Ժամանակակից մեկ այլ կարևոր գիտություն կա. Առկա նյութերի ուսումնասիրությունը և նոր նյութերի սինթեզն իրականացվում են պինդ վիճակի քիմիայի միջոցով։
Պինդ մարմինների առանձնահատկությունները
Պինդ մարմնի ատոմների արտաքին էլեկտրոնների շարժման բնույթը որոշում է նրա շատ հատկություններ, օրինակ՝ էլեկտրական: Նման մարմինների 5 դաս կա. Դրանք սահմանվում են կախված ատոմային կապի տեսակից՝
- Իոնական, որի հիմնական բնութագիրը էլեկտրաստատիկ ձգողության ուժն է։ Դրա առանձնահատկությունները՝ ինֆրակարմիր հատվածում լույսի արտացոլումն ու կլանումը։ Ցածր ջերմաստիճաններում իոնային կապը բնութագրվում է ցածր էլեկտրական հաղորդունակությամբ: Նման նյութի օրինակ է աղաթթվի նատրիումի աղը (NaCl):
- Կովալենտ,իրականացվում է էլեկտրոնային զույգով, որը պատկանում է երկու ատոմներին: Նման կապը բաժանվում է` մեկ (պարզ), կրկնակի և եռակի: Այս անունները ցույց են տալիս էլեկտրոնների զույգերի առկայությունը (1, 2, 3): Կրկնակի և եռակի կապերը կոչվում են բազմակի կապեր: Այս խմբի մեկ այլ բաժանում կա. Այսպիսով, կախված էլեկտրոնային խտության բաշխվածությունից՝ առանձնանում են բևեռային և ոչ բևեռային կապերը։ Առաջինը գոյանում է տարբեր ատոմներից, իսկ երկրորդը նույնն է։ Նյութի նման պինդ վիճակը, որի օրինակներն են ադամանդը (C) և սիլիցիումը (Si), առանձնանում է իր խտությամբ։ Ամենադժվար բյուրեղները պատկանում են հատուկ կովալենտային կապին:
- Մետաղական, ձևավորվել է ատոմների վալենտային էլեկտրոնների համադրումից։ Արդյունքում առաջանում է ընդհանուր էլեկտրոնային ամպ, որը տեղաշարժվում է էլեկտրական լարման ազդեցության տակ։ Մետաղական կապ է ձևավորվում, երբ կապակցված ատոմները մեծ են: Նրանք ունակ են նվիրաբերել էլեկտրոններ։ Շատ մետաղների և բարդ միացությունների մեջ այս կապը կազմում է նյութի պինդ վիճակ։ Օրինակներ՝ նատրիում, բարիում, ալյումին, պղինձ, ոսկի: Ոչ մետաղական միացություններից կարելի է նշել հետևյալը՝ AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Մետաղական կապ ունեցող նյութերը (մետաղները) իրենց ֆիզիկական հատկություններով բազմազան են։ Դրանք կարող են լինել հեղուկ (Hg), փափուկ (Na, K), շատ կոշտ (W, Nb):
- Մոլեկուլային, առաջացող բյուրեղներում, որոնք առաջանում են նյութի առանձին մոլեկուլներից։ Այն բնութագրվում է զրոյական էլեկտրոնային խտությամբ մոլեկուլների միջև բացերով: Այդպիսի բյուրեղներում ատոմները կապող ուժերը նշանակալի են։ Մոլեկուլները ձգվում ենմիմյանց նկատմամբ միայն թույլ միջմոլեկուլային ձգողականությամբ: Այդ իսկ պատճառով նրանց միջեւ կապերը տաքացնելիս հեշտությամբ քայքայվում են։ Ատոմների միջև կապերը շատ ավելի դժվար է կոտրել: Մոլեկուլային կապը ստորաբաժանվում է կողմնորոշիչ, ցրված և ինդուկտիվ: Նման նյութի օրինակ է պինդ մեթանը։
- Ջրածին, որը տեղի է ունենում մոլեկուլի կամ դրա մասի դրական բևեռացված ատոմների և մեկ այլ մոլեկուլի կամ այլ մասի ամենափոքր բացասական բևեռացված մասնիկի միջև։ Այս կապերը ներառում են սառույց:
Պինդ մարմինների հատկությունները
Ի՞նչ գիտենք այսօր: Գիտնականները երկար ժամանակ ուսումնասիրել են նյութի պինդ վիճակի հատկությունները։ Երբ ենթարկվում է ջերմաստիճանի, այն նույնպես փոխվում է: Նման մարմնի անցումը հեղուկի կոչվում է հալում։ Պինդ մարմնի վերածումը գազային վիճակի կոչվում է սուբլիմացիա։ Երբ ջերմաստիճանը իջնում է, տեղի է ունենում պինդ նյութի բյուրեղացում։ Որոշ նյութեր ցրտի ազդեցության տակ անցնում են ամորֆ փուլ։ Գիտնականներն այս գործընթացն անվանում են ապակեպատում։
Փուլային անցումների ժամանակ պինդ մարմինների ներքին կառուցվածքը փոխվում է: Այն ձեռք է բերում ամենամեծ կարգը ջերմաստիճանի նվազմամբ։ Մթնոլորտային ճնշման և T > 0 K ջերմաստիճանի դեպքում բնության մեջ գոյություն ունեցող ցանկացած նյութ կարծրանում է: Այս կանոնից բացառություն է միայն հելիումը, որի բյուրեղացման համար անհրաժեշտ է 24 ատմ ճնշում:
Նյութի պինդ վիճակը նրան տալիս է տարբեր ֆիզիկական հատկություններ: Նրանք բնութագրում են մարմնի հատուկ վարքագիծըորոշակի դաշտերի ու ուժերի ազդեցության տակ։ Այս հատկությունները բաժանված են խմբերի. Գոյություն ունի ազդեցության 3 եղանակ՝ համապատասխան 3 տեսակի էներգիայի (մեխանիկական, ջերմային, էլեկտրամագնիսական)։ Ըստ այդմ՝ առանձնանում են պինդ մարմինների ֆիզիկական հատկությունների 3 խումբ՝
- Մեխանիկական հատկություններ՝ կապված մարմինների սթրեսի և լարվածության հետ: Ըստ այդ չափանիշների՝ պինդ մարմինները բաժանվում են առաձգական, ռեոլոգիական, ամրության և տեխնոլոգիական։ Հանգստի ժամանակ նման մարմինը պահպանում է իր ձևը, բայց այն կարող է փոխվել արտաքին ուժի ազդեցության տակ: Միևնույն ժամանակ, դրա դեֆորմացիան կարող է լինել պլաստիկ (նախնական ձևը չի վերադառնում), առաձգական (վերադառնում է իր սկզբնական ձևին) կամ կործանարար (երբ հասնում է որոշակի շեմին, տեղի է ունենում քայքայում / կոտրվածք): Կիրառվող ուժի արձագանքը նկարագրվում է առաձգականության մոդուլներով: Պինդ մարմինը դիմադրում է ոչ միայն սեղմմանը, ձգմանը, այլև տեղաշարժերին, ոլորմանը և ճկմանը: Պինդ մարմնի ուժը կործանմանը դիմակայելու հատկությունն է։
- Ջերմային, դրսևորվում է ջերմային դաշտերի ազդեցության ժամանակ: Ամենակարևոր հատկություններից է հալման կետը, որով մարմինը անցնում է հեղուկ վիճակի։ Դիտվում է բյուրեղային պինդ մարմիններում։ Ամորֆ մարմիններն ունեն միաձուլման թաքնված ջերմություն, քանի որ դրանց անցումը հեղուկ վիճակի ջերմաստիճանի աճով տեղի է ունենում աստիճանաբար: Որոշակի ջերմության հասնելով՝ ամորֆ մարմինը կորցնում է իր առաձգականությունը և ձեռք է բերում պլաստիկություն։ Այս վիճակը նշանակում է, որ այն հասել է ապակու անցման ջերմաստիճանին: Երբ տաքացվում է, տեղի է ունենում պինդ նյութի դեֆորմացիա: Եվ շատ ժամանակ այն ընդլայնվում է: Քանակական առումով սապետությունը բնութագրվում է որոշակի գործակցով. Մարմնի ջերմաստիճանը ազդում է այնպիսի մեխանիկական հատկությունների վրա, ինչպիսիք են հոսունությունը, ճկունությունը, կարծրությունը և ամրությունը:
- Էլեկտրամագնիսական, կապված պինդ նյութի վրա միկրոմասնիկների հոսքերի և բարձր կոշտության էլեկտրամագնիսական ալիքների ազդեցության հետ: Ճառագայթման հատկությունները նույնպես պայմանականորեն վերաբերում են դրանց։
Զոնայի կառուցվածք
Պինդները նույնպես դասակարգվում են ըստ այսպես կոչված ժապավենի կառուցվածքի: Այսպիսով, նրանց թվում առանձնացնում են՝
- Դիրիժորներ, որոնք բնութագրվում են նրանով, որ դրանց հաղորդականության և վալենտային գոտիները համընկնում են: Այս դեպքում էլեկտրոնները կարող են շարժվել նրանց միջեւ՝ ստանալով ամենաչնչին էներգիան։ Բոլոր մետաղները հաղորդիչներ են: Երբ նման մարմնի վրա կիրառվում է պոտենցիալ տարբերություն, առաջանում է էլեկտրական հոսանք (նվազագույն և ամենաբարձր պոտենցիալ ունեցող կետերի միջև էլեկտրոնների ազատ տեղաշարժի շնորհիվ):
- Դիէլեկտրիկներ, որոնց գոտիները չեն համընկնում: Նրանց միջեւ ընդմիջումը գերազանցում է 4 էՎ-ն։ Շատ էներգիա է անհրաժեշտ՝ էլեկտրոնները վալենտից դեպի հաղորդման գոտի անցկացնելու համար։ Այս հատկությունների շնորհիվ դիէլեկտրիկները գործնականում հոսանք չեն անցկացնում:
- Կիսահաղորդիչներ, որոնք բնութագրվում են հաղորդունակության և վալենտային գոտիների բացակայությամբ: Նրանց միջև ընդմիջումը 4 էՎ-ից պակաս է: Էլեկտրոնները վալենտից դեպի հաղորդման գոտի փոխանցելու համար ավելի քիչ էներգիա է պահանջվում, քան դիէլեկտրիկների համար: Մաքուր (չմշակված և բնիկ) կիսահաղորդիչները լավ չեն անցնում հոսանքը:
Մոլեկուլների շարժումները պինդ մարմիններում որոշում են դրանց էլեկտրամագնիսական հատկությունները:
Այլհատկություններ
Պինդ մարմինները նույնպես բաժանվում են ըստ իրենց մագնիսական հատկությունների։ Գոյություն ունի երեք խումբ՝
- Դիամագնիսներ, որոնց հատկությունները քիչ են կախված ջերմաստիճանից կամ ագրեգացման վիճակից։
- Պարամագնիսներ, որոնք առաջանում են հաղորդիչ էլեկտրոնների կողմնորոշումից և ատոմների մագնիսական մոմենտներից։ Ըստ Կյուրիի օրենքի՝ նրանց զգայունությունը նվազում է ջերմաստիճանի համեմատ։ Այսպիսով, 300 K-ում այն կազմում է 10-5:
- Մարմիններ՝ կարգավորված մագնիսական կառուցվածքով, ատոմների հեռահար կարգով։ Նրանց ցանցի հանգույցներում պարբերաբար տեղակայվում են մագնիսական մոմենտներով մասնիկներ։ Նման պինդ նյութերն ու նյութերը հաճախ օգտագործվում են մարդու գործունեության տարբեր ոլորտներում։
Բնության ամենադժվար նյութերը
Ինչ են դրանք: Պինդ մարմինների խտությունը մեծապես որոշում է դրանց կարծրությունը։ Վերջին տարիներին գիտնականները հայտնաբերել են մի քանի նյութեր, որոնք հավակնում են լինել «ամենակայուն մարմին»: Ամենադժվար նյութը ֆուլերիտն է (ֆուլերենի մոլեկուլներով բյուրեղ), որը մոտ 1,5 անգամ ավելի կարծր է, քան ադամանդը։ Ցավոք, այն ներկայումս հասանելի է միայն չափազանց փոքր քանակությամբ:
Այսօր ամենադժվար նյութը, որը կարող է օգտագործվել ապագայում արդյունաբերության մեջ, լոնսդեյլիտն է (վեցանկյուն ադամանդ): Այն 58%-ով ավելի կոշտ է, քան ադամանդը։ Lonsdaleite-ը ածխածնի ալոտրոպիկ մոդիֆիկացիան է: Նրա բյուրեղյա վանդակը շատ նման է ադամանդի: Լոնսդեյլիտի բջիջը պարունակում է 4 ատոմ, մինչդեռ ադամանդը՝ 8: Լայնորեն օգտագործվող բյուրեղներից ադամանդն այսօր մնում է ամենապինդը:
