FIZYKA CIAŁA STAŁEGO Stany skupienia materii, typy i zasięg uporządkowań Kryształ idealny i właściwości kryształów Kryształy rzeczywiste i defekty sieci krystalicznej Ciała amorficzne, rozdaje i cechy charakterystyczne Amorfizm (bezpostaciowość) Ciała krystaliczne i amorficzne (różnice) Plazma - czwarty stan skupienia materii Właściwości plazmy, występowanie i zastosowania Politechnika Opolska Opole University of Technology www.po.opole.pl Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics www.wipil.po.opole.pl
STANY SKUPIENIA MATERII Stan skupienia materii - podstawowa forma w jakiej występuje substancja (określa właściwości fizyczne ciała). Właściwości substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. CIAŁA STAŁE kryształy, polikryształy i *ciała bezpostaciowe; ustalony kształt oraz objętość (nieściśliwe); uporządkowanie dalekiego zasięgu; drgania cząsteczek lub atomów wokół położeń równowagi (oddziaływ. harmoniczne). CIECZE trudno zmienić objętość (słabo ściśliwe), ale łatwo kształt (przyjmują kształt naczynia); bliski zasięg uporządkowania (oddz. międzycząsteczkowe); tworzą powierzchnię swobodną. GAZY nie mają własnego kształtu (przyjmują kształt naczynia); łatwo zmieniają swoją objętość (są ściśliwe); cząsteczki poruszają się swobodnie (brak uporządkowania); brak sił spójności (oddziaływ. jedynie w wyniku zderzeń).
KRYSZTAŁY Uporządkowanie budowy wewnętrznej kryształu polega na periodycznym (okresowym) powtarzaniu się identycznych elementów strukturalnych (atomów, jonów lub cząsteczek) w każdym kierunku przestrzeni. KRYSZTAŁ IDEALNY - nieskończenie duży twór, w którym uporządkowanie atomów (jonów lub cząsteczek) i płaszczyzn atomowych odpowiada dokładnie wymogom struktury, a jego właściwości fizykochemiczne są w całości określone przez typ struktury krystalograficznej i charakter wiązań chemicznych. Cechy makroskopowe kryształu: makroskopowa jednorodność, możliwość przyjmowania (w sprzyjających warunkach procesu krystalizacji) postaci charakterystycznych wielościanów, anizotropowość - zależność właściwości fizycznych (przewodnictwo cieplne i elektryczne, sprężystość, itp.) od kierunku w przestrzeni. polikryształy - wykazujące izotropowe własności ciała składające się z bardzo małych, dowolnie zorientowanych monokryształów.
DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ W kryształach rzeczywistych występuje cały szereg wad (defektów), które w istotny sposób wpływają na własności kryształu: luki w sieci (a) - brak atomu lub jonu w węźle sieci (defekty Schottky ego (f)), atomy międzywęzłowe (b) - umiejscowienie się atomu jednego z pierwiastków tworzących kryształ między węzłami uporządkowanej sieci krystalicznej (defekty Frenkla (e)), domieszki chemiczne (c, d) - defekty punktowe polegające na wtrąceniu obcych atomów do sieci krystalicznej (kryształy 0,1% domieszek uważamy za czyste), dyslokacje - liniowa wada (defekt) budowy sieci krystalicznej polegająca na nierównomiernym rozmieszczeniu węzłów wzdłuż odpowiedniej linii (krawędziowe (A), śrubowe (B) i mieszana).
Do ciał bezpostaciowych (amorficznych) zaliczamy: wosk, lak, smoła; Cechy charakterystyczne: CIAŁA AMORFICZNE żywice, opale i bursztyny; 4 szkliwa wulkaniczne (np. obsydian) amorficzne metale i półprzewodniki (Ge i Si); różnego rodzaju szkła i substancje szkłopodobne; naturalne i sztuczne polimery (np. tworzywa sztuczne). uporządkowanie bliskiego zasięgu sięgające odległości kilku nm (podobieństwo do otoczenia w stanie krystalicznym), wykazują izotropowe (niezależne od kierunku) właściwości fizyczne, charakteryzują się znaczną lepkością, występowanie zjawiska zeszklenia i tzw. temperatury zeszklenia T g (temp. mięknięcia lub transformacji).
AMORFIZM (BEZPOSTACIOWOŚĆ) Amorfizm (bezpostaciowość) - stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi (plastycznymi) zbliżonymi do ciał krystalicznych przy braku uporządkowania dalekiego zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (nie może płynąć), ale tworzące go cząsteczki są ułożone w dość chaotyczny sposób, zbliżony do spotykanego w cieczach (ciecz przechłodzona). W stanie amorficznym występują substancje, które są zdolne do krystalizacji, ale ze względu na różnego rodzaju czynniki (np. zanieczyszczenia, szybkie schłodzenie cieczy, czy też duże rozmiary cząstek) nie mogą w pełni skrystalizować. W praktyce faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości i zazwyczaj współistnieje z fazą krystaliczną. Poprzez zmianę warunków schładzania cieczy proporcje między tymi dwiema fazami można zmieniać, w dość szerokim zakresie. Dostatecznie szybkie ochładzanie niektórych cieczy może zatem prowadzić do wytworzenia się wyłącznie fazy amorficznej.
PROCESY ZESTALANIA CIECZY Krystalizacja - w oziębionej do określonej temperatury cieczy pojawiają się drobne kryształki (obszary uporządkowanych i trwale ze sobą związanych cząstek) tzw. centra krystalizacji, które przy dalszym (powolnym) oziębianiu cieczy rozrastają się i obejmują całą jej objętość. Zestalanie wskutek stosunkowo szybkiego zwiększenia lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury - substancje amorficzne (wosk, lak, smoła) i zdolne do krystalizacji substancje szkłopodobne (szybki wzrost lepkości przy obniżaniu temp. - substancja zestala się wcześniej niż nastąpi krystalizacja).
CIAŁA KRYSTALICZNE I AMORFICZNE Z energetycznego punktu widzenia istnieje zasadnicza różnica między ciałami krystalicznymi i amorficznymi - dla ciał krystalicznych obserwujemy określony efekt cieplny związany z procesem topnienia i krzepnięcia, który nie występuje w przypadku ciał amorficznych. Różnica pomiędzy ciałami krystalicznymi i amorficznymi związana jest też z zależnością (bądź też nie) ich właściwości fizycznych od kierunku w przestrzeni. T [K] T top A B T g C c. krystaliczne c. amorficzne t [s] Ciała stałe o budowie krystalicznej mają ściśle określoną temperaturę topnienia (stan równowagi termodynamicznej fazy ciekłej i stałej) i są anizotropowe. Ciała amorficzne - izotropowe silnie przechłodzone ciecze o bardzo dużej lepkości, które podczas ogrzewania miękną stopniowo i nie mają określonej temperatury odpowiadającej przejściu z fazy stałej w ciekłą.
PLAZMA Plazma - zjonizowany gaz o odpowiedniej koncentracji nośników ładunków elektrycznych (dodatnich lub ujemnych jonów i swobodnie poruszających się elektronów) oraz elektrycznie obojętnych atomów. Jonizacja gazu - proces powstawania w gazie jonów i swobodnych elektronów. n e + n j n g Stopień jonizacji - stosunek liczby cząstek gazu, które uległy jonizacji do ich całkowitej liczby początkowej. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, zatem zgodnie z ZASADĄ ZACHOWANIA ŁADUNKU wytworzona plazma zawiera jednakowe ilości q + i q - (plazma jest quasi-obojętna elektrycznie). Występujące chaotyczne i chwilowo niejednorodności rozmieszczenia przestrzennego ładunków (termiczne ruchy cząstek plazmy) wywołują szereg specyficznych zjawisk (każda naładowana cząstka plazmy pole elektryczne polaryzacja otaczającego ją ośrodka grupowanie się wokół przeciwnie naładowanych cząstek pole samouzgonione Ē(t) ekranowanie cząstka quasi-neutralna elektrycznie ). kt r D 2 2ne r D - promień polaryzacyjny Debye a (promień ekranowania), ε - stała dielektryczna plazmy, k - stała Boltzmana, T - temperatura bezwzgl., n - liczba cząstek w jednostce objętości, e - ładunek elementarny.
PLAZMA - czwarty stan skupienia materii Zjonizowany gaz zawierający różnoimienne ładunki elektryczne nazywamy plazmą, jeżeli promień Debye a jest mały w porównaniu z rozmiarami zajmowanej przez ten gaz objętości (r D << V pl ).
WŁAŚCIWOŚCI PLAZMY Plazma w odróżnieniu od zwykłego gazu: chętnie przewodzi prąd elektryczny, pochłania określone rodzaje promieniowania (α, β, γ, X ), wysyła silne promieniowanie w zakresie światła UV - VIS - NIR i RTG, opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury (w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem niż metale), dla danego rozmiaru plazmy i przy odpowiednim stopniu jonizacji występują siły dalekiego zasięgu (oddziaływania kulombowskie), silnie oddziałuje z polem elektrycznym i magnetycznym (może być odpowiednio przez nie kształtowana i przesuwana). Wytwarzanie plazmy : j. termiczna - ogrzewanie gazu do bardzo wysokich temperatur (rzędu tysięcy K); j. elektryczna - lab. Sandia (2006), USA ( rekordowa plazma o T = 2 10 9 K przy natężeniu prądu I = 20 10 6 A); j. fotonowa - poprzez absorpcję kwantu promieniowania elektromagnetycznego; jonizacja poprzez bombardowanie atomów cząstkami o wysokich energiach (e, p, α). doświadczalny reaktor plazmowy
WYSTĘPOWNIE I ZASTOSOWANIA Plazma w warunkach ziemskich jest rzadko spotykanym stanem materii, ale we Wszechświecie bardzo często (ok. 99% znanej materii Wszechświata): jądro Słońca i innych gwiazd - tzw. gorąca plazma, jonosfera ziemska (zorza polarna) - tzw. zimna plazma, przestrzeń międzygwiezdna (T = 3 K, ale ogromny obszar V pl >> r D ), w wyładowaniach atmosferycznych czy płomieniu łuku elektrycznego, silnik odrzutowy (plazma wysokotemperaturowa). Zastosowania techniczne plazmy: elektronika i technika świetlna - lampy wyładowcze (rtęciowe (Hg), gazowe (Ar), neonówki (Ne), jarzeniówki (Na)); obróbka metali - palniki acetylenowotlenowe, plazmotrony (łuk elektryczny); geofizyka - wykonywanie odwiertów w skorupie ziemskiej na znacznych głębokościach (nawet do 10 km w głąb); energetyka cieplna i termojądrowa - jako źródła energii elektrycznej (kontrolowana reakcja termojądrowa podczas syntezy lekkich jąder 2 1D, 3 2T i izotopu helu 3 2He).