Qattiq jism — moddaning to‘rtta asosiy agregat holatidan biri bo‘lib, boshqa agregat holatlardan (suyuqlik, gaz, plazma) shaklining barqarorligi hamda issiqlik harakati vaqtida atomlarning muvozanat holatlari atrofida kichik tebranishlar bajarishi bilan farqlanadi.
Qattiq jismlar kristall va amorf turlarga ajratiladi. Fizikaning qattiq jismlar tarkibi va ichki tuzilishini o‘rganuvchi bo‘limi qattiq jismlar fizikasi deb ataladi. Qattiq jismning tashqi ta’sirlar va harakat natijasida shaklini qanday o‘zgartirishi alohida fan — qattiq (deformatsiyalanuvchi) jism mexanikasi. Mutlaqo qattiq jism harakatini o‘rganuvchi uchinchi fan — qattiq jism kinematikasi.
Inson yaratgan texnik qurilmalarda qattiq jismlarning turli xossalaridan foydalaniladi. Ilgari qattiq jismlar konstruksion material sifatida ishlatilgan. Bunda ularning bevosita sezish mumkin bo‘lgan mexanik xossalari, jumladan, qattiqlik, massa, plastiklik, elastiklik, mo‘rtlik asosiy ahamiyatga ega bo‘lgan. Hozirgi davrda qattiq jismlardan foydalanish ko‘pincha faqat laboratoriya tadqiqotlarida aniqlanadigan fizik xossalarga ham asoslanadi.
Tavsif
Qattiq jismlar kristall va amorf holatda bo‘lishi mumkin. Kristallarda atomlarning muvozanat vaziyatlari fazoda davriy tartibda joylashadi. Bunday davriylik uzoq masofali tartib mavjudligi tufayli yuzaga keladi va kristall panjara deb ataladi. Kristallarning tabiiy shakli — muntazam ko‘pyoqliklar. Amorf jismlarda atomlar tartibsiz joylashgan nuqtalar atrofida tebranadi. Ularda uzoq masofali tartib bo‘lmaydi, biroq yaqin masofali tartib saqlanadi. Bunda molekulalar o‘z o‘lchamlariga yaqin masofalarda muayyan tartibda joylashadi. Amorf holatning alohida ko‘rinishi — shishasimon holat. Klassik tasavvurlarga ko‘ra, qattiq jismning barqaror holati (potensial energiyasi eng kichik bo‘lgan holat) kristall holatdir. Amorf jism esa metastabil holatda bo‘ladi va vaqt o‘tishi bilan kristall holatga o‘tishi kerak. Ammo kristallanish ko‘pincha shu qadar uzoq davom etadiki, metastabillik amalda namoyon bo‘lmaydi. Amorf jismni juda katta (ko‘pincha cheksiz katta) qovushoqlikka ega suyuqlik sifatida qarash mumkin.
- Atomlar va molekulalar qattiq jismda bir-biriga zich joylashgan. Boshqacha aytganda, qattiq jism molekulalari boshqa molekulalarga nisbatan o‘zaro joylashuvini deyarli o‘zgartirmaydi va bir-biri bilan molekulalararo o‘zaro ta’sir orqali bog‘lanib turadi.
- Ko‘plab qattiq jismlar kristall tuzilishga ega. Mineralogiya va kristallografiyada kristall tuzilish deganda kristalldagi atomlarning muayyan tartibda joylashuvi tushuniladi. Kristall tuzilish elementar yacheykalardan tashkil topadi. Ular fazoviy panjaraning barcha yo‘nalishlarida davriy takrorlanadigan, alohida tartibda joylashgan atomlar majmuasidir. Panjara elementlari orasidagi turli yo‘nalishlardagi masofalar panjara parametrlari deb ataladi. Kristall tuzilish va uning simmetriyasi kristallning ko‘plab xossalarini, jumladan, ajraluvchanligi, elektron zonalar tuzilishi va optik xossalarini belgilashda muhim rol o‘ynaydi.
- Yetarlicha katta kuch ta’sirida bu xossalardan istalgani buzilib, qoldiq deformatsiya yuzaga kelishi mumkin.
- Qattiq jismlar issiqlik energiyasiga ega, shu sababli ularning atomlari tebranma harakat qiladi. Biroq odatiy sharoitlarda bu harakat juda kichik bo‘lib, uni bevosita kuzatish yoki sezish mumkin emas.
Qattiq jismlarning xossalari va ulardagi zarrachalar harakati fizikaning qattiq jismlar fizikasi deb ataladigan bo‘limida (kondensatsiyalangan muhitlar fizikasining kichik bo‘limida) o‘rganiladi. Qattiq jismlar fizikasi o‘ziga xos tadqiqot usullari va matematik apparatiga ega mustaqil ilmiy fandir. Uning rivojlanishi amaliy ehtiyojlar bilan belgilanadi. Tadqiqot obyektiga qarab qattiq jismlar fizikasi metallar fizikasi, yarimo‘tkazgichlar fizikasi, magnit materiallar fizikasi kabi yo‘nalishlarga bo‘linadi. Tadqiqot usullariga ko‘ra rentgenostrukturaviy tahlil, radiospektroskopiya va boshqa usullar farqlanadi. Bundan tashqari, muayyan xossalarni (mexanik, issiqlik va boshqalarni) o‘rganishga asoslangan yo‘nalishlar ham mavjud.
Materialshunoslik asosan qattiq jismlarning qattiqlik, mustahkamlik chegarasi, materialning yuklamalarga chidamliligi kabi xossalari hamda fazaviy o‘zgarishlarini o‘rganadi. Bu masalalar qattiq jismlar fizikasi o‘rganadigan masalalar bilan sezilarli darajada kesishadi. Qattiq holat kimyosi ham ushbu ikki fan o‘rganadigan masalalarni qamrab oladi, lekin ayniqsa yangi materiallarni sintez qilishga e’tibor qaratadi.
Qattiq jismlarning tasnifi
Qattiq jismlarning elektr va ayrim boshqa xossalari asosan ularning atomlaridagi tashqi elektronlar harakatining xususiyatiga bog‘liq. Atomlar orasidagi bog‘lanish turiga qarab qattiq jismlar besh sinfga bo‘linadi:
- Ion bog‘lanish (masalan, NaCl). Bunda asosiy kuchlar elektrostatik tortishish kuchlaridir. Xos xususiyatlari: infraqizil diapazonda yorug‘likni qaytarish va yutish; past haroratlarda elektr o‘tkazuvchanligining kichik bo‘lishi; yuqori haroratlarda esa ion o‘tkazuvchanligining yaxshi bo‘lishi.
- Kovalent bog‘lanish (masalan, C (olmos), Ge, Si).
- Metall bog‘lanish (masalan, Cu, Al).
- Molekulyar bog‘lanish (masalan, Ar[manba ko‘rsatilmaganiga 3681 kun bo‘lgan], CH4).
- Vodorod bog‘lanish (masalan, H2O (muz), HF).
Elektron zonalar tuzilishiga ko‘ra qattiq jismlarning quyidagi turlari ajratiladi: o‘tkazgichlar, yarimo‘tkazgichlar va dielektriklar.
- O‘tkazgichlar — ularning o‘tkazuvchanlik zonasi va valent zonasi bir-birini qoplaydi. Shu sababli elektron juda kichik, ruxsat etilgan istalgan energiyani olib, bu zonalar orasida erkin harakatlana oladi. Demak, qattiq jismga potensiallar farqi berilganda elektronlar kichikroq potensialli nuqtadan kattaroq potensialli nuqtaga erkin ko‘chib, elektr tokini hosil qiladi. Barcha metallar o‘tkazgichlarga kiradi.
- Yarimo‘tkazgichlar — ularning zonalari bir-birini qoplamaydi va ular orasidagi masofa 4 eV dan kichik bo‘ladi. Elektronni valent zonadan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tkazish uchun dielektriklarga nisbatan kamroq energiya talab qilinadi. Shuning uchun sof (xususiy, legirlanmagan) yarimo‘tkazgichlar elektr tokini yomon o‘tkazadi.
- Dielektriklar — ularning zonalari bir-birini qoplamaydi va ular orasidagi masofa 4 eV dan katta bo‘ladi. Binobarin, elektronni valent zonadan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tkazish uchun katta energiya kerak. Shu sababli dielektriklar elektr tokini deyarli o‘tkazmaydi.
Magnit xossalariga ko‘ra qattiq jismlar diamagnitlar, paramagnitlar va tartibli magnit tuzilishga ega jismlarga bo‘linadi. Agregat holat yoki haroratga kam bog‘liq bo‘lgan diamagnit xossalar odatda atomlar va o‘tkazuvchanlik elektronlari magnit momentlarining yo‘nalishi bilan bog‘liq paramagnit xossalar fonida sezilmay qoladi. Kyuri qonuniga ko‘ra, paramagnit qabulchanlik haroratga teskari mutanosib ravishda kamayadi va 300 K haroratda odatda 10−5. Harorat pasayganda paramagnitlar ferromagnitlarga, antiferromagnitlarga yoki ferrimagnitlarga aylanadi.
Tarixiy ma’lumot
Qattiq jismlar (metallar, minerallar) qadimdan o‘rganilgan bo‘lsa-da, ularning xossalarini har tomonlama tadqiq etish va ma’lumotlarni tizimlashtirish XVII asrdan boshlangan. Shu davrdan e’tiboran bir qator empirik qonunlar kashf etilgan. Ular mexanik kuchlar, harorat o‘zgarishi, yorug‘lik, elektromagnit maydonlar va boshqa omillarning qattiq jismlarga ta’sirini tavsiflagan. Jumladan, quyidagi qonunlar ifodalangan:
- Guk qonuni (1678);
- Dyulong — Pti qonuni (1819);
- Om qonuni (1826);
- Videman — Frans qonuni (1853) va boshqalar.
XIX asrning birinchi yarmidayoq elastiklik nazariyasining asosiy qoidalari shakllantirilgan. Bu nazariyada qattiq jism uzluksiz muhit deb qaraladi.
Qattiq jismlarning kristall tuzilishi — fazoda o‘zaro ta’sir kuchlari tufayli tartibli joylashgan atomlar majmuasi haqidagi yaxlit tasavvur Ogyust Brave tomonidan 1848-yilda shakllantirilgan. Biroq bunday dastlabki g‘oyalar Nikolas Steno (1669), Rene Jyust Gayui (1784), Isaak Nyuton asarlarida, jumladan, «Naturfalsafaning matematik asoslari» (1686) asarida ham uchraydi. Unda elastik bog‘langan zarrachalar zanjiridagi tovush tezligi hisoblangan. Shu mavzuda Daniel Bernulli (1727), Ogyusten Lui Koshi (1830) va boshqa olimlar ham tadqiqotlar olib borgan.
Erish (va kristallanish) tarmog‘i uchlamchi nuqtadan chapda va yuqorida joylashgan, sublimatsiya tarmog‘i — uchlamchi nuqtadan chapda va pastda joylashgan. Yashil uzuq chiziq suvning anomal xatti-harakatini ko‘rsatadi.
Harorat ko‘tarilganda qattiq jismlar suyuq yoki gazsimon holatga o‘tadi. Qattiq jismning suyuqlikka aylanishi erish, suyuq holatga o‘tmasdan to‘g‘ridan-to‘g‘ri gazga aylanishi esa sublimatsiya deb ataladi. Harorat pasayganda qattiq holatga o‘tish kristallanish deb ataladi; amorf fazaga o‘tish esa shishalanish deb ataladi.
Qattiq holatning turli fazalari orasida ham fazaviy o‘tishlar ro‘y beradi. Bunda qattiq jismning ichki tuzilishi o‘zgaradi va harorat pasayganda tartibliroq holatga o‘tadi.
Oddiy atmosfera bosimida va T > 0 K haroratda tabiatdagi barcha moddalar qattiqlashadi. Bundan geliy mustasno: uning kristallanishi uchun 24 atm bosim zarur.
Fizik xossalar
Qattiq jismlarning fizik xossalari deganda ularning muayyan kuch va maydonlar ta’siridagi o‘ziga xos xatti-harakati tushuniladi. Qattiq jismlarga ta’sir etishning uchta asosiy usuli mavjud bo‘lib, ular energiyaning uch asosiy turiga mos keladi: mexanik, issiqlik va elektromagnit. Shunga muvofiq, fizik xossalarning uchta asosiy guruhi ajratiladi.
Mexanik xossalar jismdagi mexanik kuchlanishlar va deformatsiyalarni o‘zaro bog‘laydi. Mexanik va reologik xossalar bo‘yicha akademik P. A. Rebinder ilmiy maktabi o‘tkazgan keng tadqiqotlar natijalariga ko‘ra, bu xossalarni elastik, mustahkamlikka oid, reologik va texnologik xossalarga ajratish mumkin. Bundan tashqari, qattiq jismlarga suyuqlik yoki gaz ta’sir etganda ularning gidravlik va gazodinamik xossalari namoyon bo‘ladi.
Issiqlik xossalariga issiqlik maydonlari ta’sirida namoyon bo‘ladigan xossalar kiradi. Elektromagnit xossalarga shartli ravishda radiatsion xossalar ham kiritiladi. Ular qattiq jismga mikrozarrachalar oqimi yoki yuqori energiyali elektromagnit to‘lqinlar (rentgen va gamma nurlari) ta’sir qilganda namoyon bo‘ladi.
Ma’lum bo‘lgan eng yengil qattiq material — aerogel. Aerogelning ayrim turlari zichligi 1,9 mg/sm³ yoki 1,9 kg/m³ (suv zichligining 1/530 qismi) ni tashkil etadi.
Mexanik xossalar
Tinch holatda qattiq jismlar o‘z shaklini saqlaydi, lekin tashqi kuchlar ta’sirida deformatsiyalanadi. Ta’sir etayotgan kuch kattaligiga qarab deformatsiya elastik, plastik yoki yemirilishga olib keladigan bo‘lishi mumkin. Elastik deformatsiyada tashqi kuch olib tashlangach, jism dastlabki shakliga qaytadi. Qattiq jismning qo‘yilgan kuchga javobi elastiklik modullari bilan tavsiflanadi. Qattiq jismning suyuqlik va gazlardan farqli xususiyati shundaki, u faqat cho‘zilish va siqilishga emas, balki siljish, egilish va buralishga ham qarshilik ko‘rsatadi.
Plastik deformatsiyada jismning dastlabki shakli saqlanmaydi. Deformatsiya xususiyati tashqi kuchning qancha vaqt ta’sir qilishiga ham bog‘liq. Qattiq jism kuch qisqa vaqt ta’sir etganda elastik deformatsiyalanishi, tashqi kuch uzoq vaqt davomida ta’sir qilganda esa plastik deformatsiyalanishi mumkin. Bunday hodisa sudraluvchanlik (creep) deb ataladi. Deformatsiyaning xususiyatlaridan biri jismning qattiqligi, ya’ni boshqa jismlarning uning ichiga kirib borishiga qarshilik ko‘rsatish qobiliyatidir.
Har bir qattiq jismning o‘ziga xos deformatsiya chegarasi mavjud, undan oshganda jism yemiriladi. Qattiq jismning yemirilishga qarshilik ko‘rsatish xususiyati mustahkamlik bilan tavsiflanadi. Yemirilish jarayonida qattiq jismda yoriqlar paydo bo‘lib, kengayadi va oxir-oqibat jismning sinishiga olib keladi.
Qattiq jismning mexanik xossalariga tovushni o‘tkazish qobiliyati ham kiradi. Tovush — mahalliy deformatsiyani bir joydan ikkinchi joyga uzatuvchi to‘lqin. Suyuqlik va gazlardan farqli ravishda qattiq jismlarda nafaqat bo‘ylama, balki ko‘ndalang tovush to‘lqinlari ham tarqaladi. Bu qattiq jismning siljish deformatsiyasiga qarshilik ko‘rsatishi bilan bog‘liq. Atomlararo o‘zaro ta’sir ancha kuchli bo‘lgani uchun qattiq jismlarda tovush tezligi, odatda, gazlarga, xususan havoga qaraganda yuqoriroq bo‘ladi. Kristall qattiq jismlarda tovush tezligi anizotropiya, ya’ni tarqalish yo‘nalishiga bog‘liqlik bilan tavsiflanadi.
Issiqlik xossalari
Qattiq jismning eng muhim issiqlik xossasi — erish harorati, ya’ni suyuq holatga o‘tadigan haroratdir. Erishning yana bir muhim ko‘rsatkichi — solishtirma erish issiqligi. Kristallardan farqli ravishda, amorf qattiq jismlarda harorat oshishi bilan suyuq holatga o‘tish asta-sekin sodir bo‘ladi. Bu jarayon shishalanish harorati bilan tavsiflanadi. Mazkur haroratdan yuqorida material elastikligini deyarli butunlay yo‘qotib, juda plastik holatga keladi.
Haroratning o‘zgarishi qattiq jismning deformatsiyalanishiga sabab bo‘ladi. Odatda harorat ko‘tarilganda jism kengayadi. Bu hodisa miqdor jihatdan issiqlik kengayish koeffitsiyenti bilan tavsiflanadi. Qattiq jismning issiqlik sig‘imi haroratga, ayniqsa past haroratlarda, bog‘liq. Biroq xona haroratida va undan yuqorida ko‘plab qattiq jismlarning issiqlik sig‘imi taxminan o‘zgarmas bo‘ladi (Dyulong — Pti qonuni). Issiqlik sig‘imining haroratga bog‘liqligi muayyan qonuniyatga o‘tishi har bir materialga xos Debay haroratida ro‘y beradi. Qattiq materiallarning boshqa xossalari, xususan mexanik xossalari — plastikligi, oquvchanligi, mustahkamligi va qattiqligi ham haroratga bog‘liq.
Elektr va magnit xossalar
Qattiq jismlar solishtirma elektr qarshiligi qiymatiga qarab o‘tkazgichlar va dielektriklarga bo‘linadi. Ular orasida yarimo‘tkazgichlar oraliq o‘rinni egallaydi. Yarimo‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligi past bo‘lsa-da, harorat ortishi bilan ortib boradi. Qattiq jismlarning elektr xossalari ularning elektron tuzilishiga bog‘liq. Dielektriklar elektronlarining energiya spektrida bo‘shliq mavjud bo‘lib, kristall qattiq jismlarda bu taqiqlangan zona deb ataladi. Bu — qattiq jismdagi elektronlar ega bo‘la olmaydigan energiya qiymatlari oralig‘i. Dielektriklarda bu bo‘shliqdan pastdagi barcha elektron holatlar band bo‘ladi. Pauli prinsipiga ko‘ra, elektronlar bir holatdan boshqasiga o‘ta olmaydi, shu sababli elektr o‘tkazuvchanligi bo‘lmaydi. Yarimo‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligi aralashmalar — akseptorlar va donorlar ta’siriga juda kuchli bog‘liq.
Ayrim qattiq jismlarga ion o‘tkazuvchanligi xos. Bunday materiallar superioniklar deb ataladi. Ular asosan ion kristallari bo‘lib, ularda bir turdagi ionlar boshqa turdagi ionlarning o‘zgarmas panjarasi orasida ancha erkin harakatlana oladi.
Past haroratlarda ayrim qattiq jismlarda o‘ta o‘tkazuvchanlik — elektr tokini qarshiliksiz o‘tkazish xossasi kuzatiladi.
O‘z-o‘zidan qutblanish xossasiga ega qattiq jismlar sinfi mavjud. Ular piroelektriklar deb ataladi. Agar bu xossa faqat muayyan harorat oralig‘ida mavjud bo‘lgan fazalardan biriga xos bo‘lsa, bunday materiallar segnetoelektriklar deb ataladi. Pyezoelektriklar uchun esa qutblanish va mexanik deformatsiya orasidagi kuchli bog‘liqlik xosdir.
Ferromagnitlarga o‘z-o‘zidan yuzaga keladigan magnit momenti xosdir.
Qattiq jismlarning optik xossalari juda xilma-xildir. Metallar odatda ko‘rinadigan yorug‘lik diapazonida yuqori qaytarish koeffitsiyentiga ega. Shisha kabi ko‘plab dielektriklar esa shaffof bo‘ladi. Ko‘pincha qattiq jismning rangi yorug‘likni yutuvchi aralashmalar bilan belgilanadi. Yarimo‘tkazgichlar va dielektriklarga fotoo‘tkazuvchanlik — yoritilganda elektr o‘tkazuvchanligining ortishi xosdir.
Fanlarda qattiq jismni ideallashtirish
Tabiatda uchraydigan qattiq jismlar nihoyatda ko‘p va xilma-xil xossalarga ega bo‘lib, aniqlangan xossalar soni ham muttasil ortib bormoqda. Muayyan fanning vazifalariga qarab qattiq jismning ayrim xossalarigina muhim bo‘ladi, boshqalari esa ahamiyatsiz hisoblanadi. Masalan, po‘latning mustahkamligini o‘rganishda uning magnit xossalari katta ahamiyatga ega emas.
Tadqiqotni soddalashtirish uchun haqiqiy jism ideal model bilan almashtiriladi va ko‘rib chiqilayotgan holat uchun eng muhim xossalarigina ajratib olinadi. Ko‘plab fanlarda qo‘llanadigan bunday yondashuv abstraksiyalash deb ataladi. Muhim xossalari belgilangan ideallashtirilgan jism ajratib olingach, nazariya yaratiladi. Bu nazariyaning ishonchliligi qabul qilingan ideal model obyektning muhim xususiyatlarini qanchalik to‘g‘ri aks ettirishiga bog‘liq. Buni ideal model asosidagi nazariy tadqiqot natijalari bilan tajriba natijalarini solishtirish orqali baholash mumkin.
Nazariy mexanikada
Nazariy mexanikada haqiqiy qattiq jismning ideallashtirilgan modeli mutlaqo qattiq jismdir. Bunday jismda istalgan sharoitda ixtiyoriy ikki nuqta orasidagi masofa o‘zgarmaydi, ya’ni jismning o‘lchamlari ham, shakli ham o‘zgarmaydi.
Elastiklik nazariyasida
Elastiklik nazariyasi va uning amaliy qo‘llanishi bo‘lgan materiallar qarshiligi fanida ham qattiq jismning ayrim xossalarini hisobga olib, ularni mutlaqlashtiradigan modellar qo‘llanadi. Masalan, kichik deformatsiyalarda bir jinslilik va uzluksizlik shartlarini qabul qilish cheksiz kichik miqdorlar tahlili usullaridan foydalanish imkonini beradi. Bu materiallar qarshiligi nazariyasini yaratishni sezilarli darajada soddalashtiradi.
Shuningdek, mexanik kuchlanish va deformatsiya orasidagi bog‘liqlik chiziqli deb hisoblanadi (qarang: Guk qonuni).
Plastiklik nazariyasida
Plastiklik nazariyasida qattiq jism modellari deformatsion puxtalanish hamda oquvchanlik xossalarining kuchlangan-deformatsiyalangan holatda namoyon bo‘lishini ideallashtirishga asoslanadi.
Adabiyotlar
- Davydov A. S. Qattiq jism nazariyasi. — M.: Nauka, 1976. — 640 bet.
Havolalar
- Qattiq jism — Fizika ensiklopediyasidan olingan maqola
- Qattiq jism / I. M. Lifshits, M. I. Kaganov. // Katta sovet ensiklopediyasi : [30 jildda] / bosh muharrir A. M. Proxorov. — 3-nashr. — M. : Sovetskaya ensiklopediya, 1969—1978.
- Kondensatsiyalangan holat fizikasi: 10 ta asosiy qoida // TrV № 79, 24-may 2011-yil.
