قدرة المادة على العودة لشكلها األصلي بعد زوال القوة المؤثرة عليها

Transcript

1 المواد الصلبة matter- Line3-2 -Solid البد من قراءة الدرس األول بعنوان Matter في خطوط عريضة في الفيزياء خصائص الجوامدSolid properties of تمتلك األنواع المختلفة من المواد خصائص مختلفة ولها درجات غليان وانصهار مختلفة وقد يكون لها ألوان مختلفة وروائح مختلفة بعضها يتمدد بدون كسر بينما أخرى تنكسر بسهولة وهذه الخصائص تساعدنا على تمييز األنواع المختلفة من المواد وأيضا تساعدنا على اختيار النوع المناسب من كل مادة لغرض محدد سأتناول هنا عدد من الخصائص وهي الكثافة density والصالبة hardness والمرونة malleability والطرق brittleness والهشاشة elasticity الكثافة الكثافة هي الخاصية التي تصف العالقة بين الكتلة والحجم الكثافة D=m/v هي الكتلة /الحجم والوحد هي Gram/cubic centimeter تعطينا الكثافة معلومات عن ترابط الذرات أو الجزيئات فمثال تجمع عدد من الذرات قريبة من بعضها في سنتيمتر مكعب واحد هذا يعطي نسبيا كثافة عالية الصالبة هي مقياس لمقاومة المادة الصلبة للخدش scratching مثال األلماس مادة صلبة في الطبيعة المرونة قدرة المادة على العودة لشكلها األصلي بعد زوال القوة المؤثرة عليها الهشاشة مقياس ميل المادة للتحطم بعد التصادم وتعتبر هذه الخاصية مهمة في صناعة السيارات الطرق مقياس قدرة المادة على الطرق لتصبح صفيحة رقيقة مثال يعتبر األلمنيوم فلز قابل للطرق بشكل عالي 1

2 أنواع الجوامد Types of Sloids -1 الجوامد البلورية Ionic solids ذرات ذاتية التنظيم في تتابع دوري تتشكل عندما يحدث تجاذب كهربي بين األيونات الموجبة والسالبة anions -cations لتشكيل شبكة بلورية وهذه البلورات األيونية تكون مستقرة وتحتاج لطاقة كبيرة لكسرها مثال عليها كلوريد الصوديوم. أمثلة NaCl, CaF 2, Na 2 S 2- الجوامد الفلزية Metallic Solids تتشكل عندما تتماسك أنوية موجبة الشحنة بالكترونات متكافئة وتمتلك الفلزات موصلية عالية للحرارة والكهرباء. الفلزات هي العناصر التي تقع في يسار الجدول الدوري تحتوي على الالنتيدات واالكتينيدات الروابط الفلزية تحتوي على العناصر باللب وحولها االلكترونات وتعرف بمسمى بحر االلكترون وتشرح الرابطة الفلزية خصائص الفلزات حيث أن الفلزات توصل الكهرباء بسبب حرية حركة االلكترون والفلزات قابلة للطرق والسحب حيث رابطة االلكترونات تتحرك بسهولة لتتكيف مع التشويه Metallic and Ionic Solids الجوامد الجزيئية Molecular Solids وتنقسم لثالثة أنواع الجوامد الجزيئية غير القطبية Non-Polar Molecular Solids حيث القوى التي تربط بين الذرات قوى فان درفال وقوى تشتت لندن والجوامد الجزيئية القطبية Polar Molecular Solids حيث القوى التي تربط بين الذرات قوى التجاذب القطبي والجوامد الجزيئية بالرابطة الهيدروجينية- Hydrogen bonded molecular solids الجوامد التساهمية Covalent or Network Solids حيث الترابط بين العناصر يكون بالرابطة التساهمية مثال عليها كربيد السيلكون SiC الجوامد غير البلورية Amorphous Solids ليس لها بناء بلوري تمتلك روابط غير منتظمة مثال الزجاج والبالستيك

3 النوع أيونية فلزية جزيئية شبكة القوة أيون أيون فلز القطبيةDipole Ind. dipole تساهمية مثال NaCl, CaF2, ZnS Na, Fe Ice, I2 Diamond Graphite الفرق بين الجوامد البلورية ومتعددة البلورات Crystalline and Polycrystalline الجوامد متعددة البلورات تتكون من عدد من الجوامد البلورية تمتلك الجوامد البلورية ترتيب منتظم ومتماثل ordered structures and symmetry بينما متعدد البلورات لها تشوش وعشوائية على المدى البعيد. تكون الجوامد البلورية ذات شكل واحد وبال حدود بينما المتعددة البلورات مختلفة عن ذلك فليس لها بناء متصل continuous structure ولديها حدود بين تبلورها. الجوامد البلورية صعبة التصنيع وهي نادرة في الطبيعة بالمقارنة مع الجوامد متعددة البلورات البلورة المفردةcrystal Single هي ذرات تعيد ترتيبها على مدى كلي للمادة. مواد متعددة التبلور Polycrystalline material تتشكل من بلورات صغيرة grains صورة لحبيبات كثيرة البلورات في الحديد الصلب جوامد عديمة التبلور Amorphous Solid ذرات عشوائية غير مرتبه. -6 3

4 : الفلزية الجوامد Metalic Solid هي الجوامد التي توصف أنها فلزات لها توصيل كهربي وحراري عالي وكخصائص كيميائية يكون للفلزات سطح المع أو بريق وأيضا قابلة للطرق والسحب malleable and ductile كل الفلزات ماعدا الزئبق صلبة عند درجة حرارة الغرفة. كال خاصية التوصيل الكهربي أو الحراري تأتي من الكترونات التكافؤ الحرة التي تنتقل في الجوامد ويسمى هذا التوصيل قانون فيدمان فرانسlaw Wiedemann-Franz وهو يعبر عن النسبة بين الموصلية الكهربائية والموصلية الحرارية وتبقى الخصائص المكيروسكوبية للفلزات في وضع يسمى طاقة فيرمي. Fermi energy -1 الخصائص الكهربية :electrical properties قد تصنف الجوامد حسب مقاومتها resistivity أو توصيلها كموصلة أو شبه موصلة أو عازلة وهذا التصنيف للجوامد ممكن أن نتصوره في نظرية األحزمة للطاقة band theory of solids وله عالقة قوية بالفراغ بين الذارت interatomic spacing ومستويات الطاقة لاللكترون في الجوامد يعبر عنها غالبا ب طاقة فيرمي Fermi energy ويمكن زيادة موصلية أشباه الموصالت ممكن زيادتها بشوائب من نوع nونوع p نظرية األحزمة للجوامد أفضل طريقة لتوضيح االختالف بين المواد الموصلة والعازلة وشبه الموصلة بتحديد طاقة االلكترونات في المواد وعوضا عن وجود طاقات منفصلة discrete energies بسبب االلكترونات الحرة تشكل الطاقة األحزمة ففي المواد العازلة االلكترونات في حزام التكافؤ valenceتنفصل band بفجوة كبيرة عن حزام التوصيل conduction band وفي الموصالت مثل الفلزات يتداخل حزام التكافؤ مع حزام التوصيل وفي أشباه الموصالت هناك فجوة صغيرة بين حزام التكافؤ وحزام التوصيل وهذا يعتمد على المادة الشائبة التي قد تزيد التوصيلية. وأهم مقياس في نظرية األحزمة هو مستوى فيرمي أعلى مستويات طاقة الكترون عند درجة حرارة منخفضة. 4

5 ظاهرة االجهاد الكهربيةEffect Piezoelectric البلورات التي من الممكن أن تمتلك تيار عندما تنضغط وتتشوه يطلق عليها الكهرباء اإلجهادية. -2 الخصائص المغناطيسية magnetic Properties تصنف المواد حسب استجابتها للمجال المغناطيسي بثالث أنواع دايا مغناطيسيةdiamagnetic وبارا مغناطيسية, paramagnetic وفرومغناطيسية ferromagnetic الدايا مغناطيسية خاصية لكل المواد التي تقاوم المجال المغناطيسي أما البارا مغناطيسية فهي عكس الدايا فتنتج مغناطيسية في اتجاه المجال وتزيد مع زيادة المجال أما الفرو مغناطيسية فتأثيرها كبير جدا فهي أقوى من الدايا والبارا.يعبر عن مغناطيسية المواد بعزم القطب المغناطيسي. في الدايا مغناطيسية تولد الحركة المدارية لاللكترونات حلقة تيار مستمر والذي يولد مجال مغناطيسي وعندما يطبق مجال مغناطيسي خارجي على المواد يميل هذا التيار المستمر current loops إلى معاكسة المجال المغناطيسي وهذا يظهرفي قانون لينز Lenz's law نأ) المجال المغناطيسي الناتج عن الحث يميل إلى معاكسة التغير الذي أحدثه( والمواد التي تستجيب هكذا للمجال المغناطيسي تسمى الدايا مغناطيسية الدايا مغناطيسية هي السلوك المغناطيسي المتبقي عندما تكون المادة ليست فرومغناطيسية والبارا مغناطيسية. أي موصل يظهر تأثير دايا مغناطيسي قوي في وجود مجاالت مغناطيسية متغيرة ألن التيارات الدائرة circulating currents تتولد في الموصل عكس التغيرات في المجال المغناطيسي أما الموصالت الفائقة superconductor فهي دايا مغناطيسية مثالية النه اليوجد مقاومة لتكون حلقات التيار المستمر current loops البارا مغناطيسية بعض المواد تظهر مغناطيسية طردية للمجال المغناطيسي المطبق وتتبع هذه المواد قانون Curie's law قانون كوري كل الذرات لها مصدر متأصل للمغناطيسية ألن دوران اإللكترون electron spin يؤدي إلى عزم مغانطيسي magnetic moment وتتصرف مدارات االلكترون electron orbits مثل حلقات تيار مستمر ينتج مجال مغناطيسي في أغلب المواد تلغى العزوم المغناطيسية لاللكترونات لكن في المواد التي تصنف أنها بارا مغناطيسية االلغاء اليكون كامل المواد الفرومغناطيسية تظهر الحديد والنيكل وبعض العناصر األرضية النادرة )جادولونيومgadolinium ديسبروسيوم (dysprosium سلوك مغناطيسي فريد وتتصرف كمواد فرومغناطيسية ألن الحديد باللغة الالتينية معناه ferrum السماريوم Samarium والنيوديميوم neodymium في السبائك مع الكوبالت تنشئ مغناطيسية قوية.rare-earth magnets تظهرالمواد الفرومغناطيسية ظاهرة long-rangeحيث ordering تظهر الذرات بمجموعات مرتبة والكترونات غير متعاكسة العزوم unpaired electron spins فتصطف متوازية بالنسبة لبعضها البعض في منطقة تسمى domain وبداخل هذا المجال يكون المجال المغناطيسي شديد. كل المواد الفرومغناطيسية لها درجة حرارة عالية حيث تختفي هذه الخاصية لها لالضطراب الحراري thermal.agitation وتسمى درجة الحرارة هذه بدرجة حرارة كوري Curie temperature تستجيب المواد الفرومغانطيسية ميكانيكيا للمجال المغناطيسي المسلط عليها. 5

6 الجوامد البلورية Crystalline solids يحدث فيها تكرار أو ترتيب دوري على مسافات ذرية طويلة نموذج ثالثي األبعاد ترتبط مع ذرات أخرى قريبة. Crystal structure البناء البلوري طريقة الذرات أو االيونات او الجزيئات في الترتيب الفراغي Schist األماتيست.amethyst quartz الهاليت halite crystal الشيست الجاليومgallium تتركب الجوامد البلورية من خاليا وحدة مكررة ويربط بين الوحدات الجزيئية عالقة هندسية ثابتة وعندما تتكون في ثالثة أبعاد تسمى شبيكة lattice تظهر النظرية الهندسية فقط أربعة عشر نوع مختلف من الشبيكة البلورية. وحدة الخلية The unit cell وحدة الخلية : الترتيب الصغير لبنيه البناء الذري الطوب األساسي في بناء البناء البلوري. هي وحدة البناء التي تصف البناء البلوري وتكرار وحدة الخلية يشكل البلورة كاملة مثال بناء بلوري ثالثي األبعاد. البناء البلوري الفلزي Metallic Crystal Structures تكون الفلزات غالبا بلورات متعددة (poly)crystalline بالرغم أن تكوين بلورات عشوائية ممكن بالتبريد السريع rapid cooling وأهم أنواع وحدات الخلية.faced-centered cubic (FCC) body-centered cubic (BCC) hexagonal close-packed (HCP). 6

7 أوال Face-Centered Cubic (FCC) Crystal Structure تقع الذرات في كل زاوية وفي مراكز كل االوجه لكل وحدة خلية مكعبه ثانيا Body-Centered Cubic (BCC) Crystal Structure الذرات عند كل زاوية وفي مركز الخلية المكعبة ثالثا Hexagonal Close-Packed HCP Crystal Structure البلورات السداسية هو أحد أنواع البناء الشائعة في البناء الفلزي. ستة ذرات تشكل ترتيب سداسي حول ذرة واحدة في المركز. ترتيب ثالثي األبعاد لنقاط متساوية في الفضاء هذه النقاط تسمى UNIT CELLS Cubic Unit Cells وحدات الخلية المكعبة وحدات الخلية المكعبة في الفلزات Cubic Unit Cells of Metals 7

8 Simple Cubic Unit Cell حيث كل األضالع لها نفس الطول والزوايا متعامدة بالنسبة لبعضها وتقع ذرة في كل زاوية لخلية الوحدة 8

9 أنواع الشبكات البلورية Lattice systems يظهر الجدول أشكال متعددة لألنظمة البلورية حسب برافيه Bravais lattices نسبه للعالم أوجيست برافيه System Axial lengths and angles Unit cell geometry Pyrite المكعبcubic a = b = c, α = β = γ= 90 رباعي tetragonal الزوايا واألصالع a = b c, α = β = γ= 90 Wulfenite Orthorhombic معيني مستقيم a b c, α = β = γ= 90 Aragonite Calcite Rhombohedral موشور سداسي منتظم a = b = c, α = β = γ 90 Beryl Hexagonal سداسي a = b c, α = β = 90, γ = 120 Azurite أحادي Monoclinic الميل a b c, α = γ = 90, β 90 Microcline ثالثي الميلTriclinic a b c, α β γ Figure 1: Bravais lattices. 9

10 الخصائص الهندسية لألنظمة البلورية السبعة Geometrical characteristics of the seven crystal systems Crystal system Example triclinic K 2 S 2 O 8 monoclinic As 4 S 4, KNO 2 rhombohedral Hg, Sb hexagonal Zn, Co, NiAs orthorhombic Ga, Fe 3 C tetragonal In, TiO 2 cubic Au, Si, NaCl TABLE 2: Examples of elements and compounds that adopt each of the crystal systems. الجوامد غير البلوريةsolids Amorphous تفتقر هذه الجوامد إلى أي بناء منتظم على مسافات طويلة الزجاج وأغلب البالستيك من أهم األمثلة عليها يتركب الزجاج العادي Ordinary glass من ثاني أكسيد السيلكون SiO 2 والذي يوجد في الطبيعة بشكل كريستالي يسمى الكوارتز البالستيك ومواد طبيعية مثل المطاط والسلولوز تتألف من جزيئات كبيرة تسمى البوليمرات.polymer حساب معامل اإلزدحام الذري( APF ) Atomic Packing Factor وهي كسر حجم في البناء البلوري والتي تتكون من جسيمات ويمثل معدل حجم الذرات في وحدة الخلية بالنسبة لحجم خلية الوحدة 10

11 11

12 The General Features of the Seven Basic Unit Cells The Three Kinds of Cubic Unit Cell 12

13 حساب عدد الذرات في كل وحدة خلية calculate the number of atoms in a unit cell نقوم بعدد من الخطوات كل ذرة في الزاوية تشترك مع ثمانية خاليا لذلك كل ذرة تشترك في 1/8 وحدة الخلية تشترك الذرة في كل وجه بوحدتين خلية لذلك كل ذرة في وجه المكعب تشترك ب 1/2 من وحدة الخلية ال تشترك الذرة في هيكل وحدة الخلية لذلك كل ذرة هي 1 من وحدة الخلية تشترك الذرة الموجودة في الحافة بأربع وحدات خلية لذلك كل ذرة في الحافة تمثل ¼ لوحدة الخلية بتطبيق هذه القواعد نسحب عدد الذرات فيمكعبات وحدة مختلفة في المواد أحادية الذرة monoatomic substances ثالثة أنوع لوحدة الخلية لنظام بلوري مكعب رؤية ثالثية األبعاد لعدد الذرات في كل وحدة خلية - 1 cubic Simple في هذا النوع من وحدة الخلية هناك 8 ذرات في كل زوايا المكعب cubic- Body centered في هذا النوع كل وحدة خليه تمتلك 8 ذرات في الزاوية وذرة في الهيكل 2 cubic-3 Face centered في هذا النوع كل وحدة خلية تمتلك ذرة في كل زاوية وذرة في كل وجه تشترك مع وحدتين خلية 13