Fizika vrstog stanja I
UvodKristalografski sistemi
Milerovi indeksi
Neke napomene
2 parcijalna ispita po 50 bodova 1. parcijalni ispit e se odrati u 7. sedmici
30.3. 2015. godine u terminu predavanja
Prisustvo na vjebama je obavezno (mogue je imati 3 minusa)
Uvod Poetkom XX vijeka mnoge oblasti fizike, kao na primjer:
kristalografija, metalurgija, elastinost, magnetizam, itd, su se razvijale kao autonomne oblasti nauke.
Tek 40.tih godina XX vijeka razliite oblasti istraivanja svojstava vrstih materijala se udruuju u novu naunu disciplinu nazvanu FIZIKA VRSTOG STANJA (FS)
ezdesetih godina XX vijeka u FS se ukljuuju i istraivanja fizikih osobina tenosti. Tako FS postaje FIZIKA KONDENZOVANOG STANJA (FKS) ili FIZIKA KONDENZIRANE MATERIJE.
Prvi kurs pod nazivom Fizika vrstog stanja uveden je na Harvard-Univerzitetu 1949.g., na inicijativu J.H. Van Vleck-a.Predava je bio W. Kohn, a kurs je baziran na knjizi F. Seiz: Modern Theory of Solids (1940.g.).
ta je fizika vrstog stanja
Fizika vrstog stanja -obuhvata fiziku vrstih tvari (materije)
Fizika kondenzirane materije- neto op enitija grana fizike koja se bavi i vrstim i teku im odnosno mekanim stvarima (dakle obuhvata i teku ine)
Poetak FS lei u kristalografiji (nauka koja se bavi metodama istraivanja kristalne strukture i samih kristala)
Meutim FS je mnogo ira oblast i bavi se poluprovodnicima, metalima, supravodljivou, opisom amorfnih materijala uz primjena kvantne i statistike fizike
ta su amorfni materijali, o tome malo kasnije.....
Prije 18. vijeka nauka o kristalima uglavnom se zasnivala na makroskopskim promatranjima i klasifikaciji.
Uoavalo se da priroda tei simetriji (ovjek, ivotinje, biljke, minerali) i poelo se nasluivati, da prekrasni vanjski heksagonski oblici snjenih pahuljica ili pravilni geometrijski oblici nekih minerala odraavaju vanjski prikaz nekog odreenog pravilnog unutranjeg ureenja, odnosno grae tih materijala pomou odreenih pravilnih osnovnih unutranjih gradbenih jedinica-ciglica.
kalcit
topaz
kvarz
pahuljice
Prekrasni simetrini oblici mnogih minerala nazvani su kristali i odatle i potie naziv kristali i kasnije kristalna struktura. Meutim, priroda unutranjeg ureenja tih kristala bila je potpuna nepoznanica.
Prvi koji je pokuao povezati vanjski oblik kristala s unutranjom strukturom bio je Johannes Kepler (poznatiji po Keplerovim zakonima), koji je 1611.g.napisao rad '' A New Year's Gift or the Six-Corner Snowflake'' u kojem je pokuao pokazati kako se gustim slaganjem malih kuglica leda mogu dobiti estougaonesnjene pahuljice, a nikada peto ili sedmougaone. No, te svoje ideje nije pokuao proiriti na druge kristale.
Time se vie pozabavio Robert Hook (poznatiji po Hookovom zakonu iz mehanike) koji je bio zaduen od Engleskog kraljevskog drutva da reklamira koritenje optikog mikroskopa i da na svakom sastanku drutva prepria neto novo od svojih promatranja optikim mikroskopom.
Tako je i nastala njegova knjiga ''Micrographia''(1665.g.), u kojoj je izmeu ostalog opisao (i nacrtao) izgled pahuljica i komadia kristala kremena/kvarca koje je promatrao na povrini prelomljenog veeg komada kremena (slika 2-2a)uoivi razne oblike vanjskih ploha kao romb, kvadrat, pravougaonik.
Pokuao je objasniti da spomenuti geometrijski likovi nastaju slaganjem kuglica u male nakupine raznih geometrijskih oblika inei osnovne gradbene jedinice-ciglice (slika 2-2b), koje onda slaganjem daju vanjski izgled kristala
pahuljice
Od ovih razmatranja trebalo je proi jo tri vijeka da bi se proniklo u unutranju strukturu kristala
To je bilo omogueno oktriem X- zraka i njihovom upotrebom u metodama difrakcije X- zraka
ta je fizika vrstog stanja?
Dosadanja fizika- tretira pojedinane atome, molekule tj. estice
FS- tretira mnotvo estica koje su u interakciji u vrstom tijelu Mnotvo estica- red veliine 1023 atoma
Problem mnotva estica- sluimo se konceptima statistike fizike i fizike mnotva estica
estice u T su u interakciji i od njih zavise osobine T kao npr: mehanike (tvrdoa i elastinost), termalne, elektrine, magnetne i optike
ta je vrsto tijelo?
vrsto tijelo- sastoji se od ogromnog broja strukturnih elemenata koje meusobno tijesno upakovane dri odreeni tip veze u ijoj je
osnovi kulonovska interakcija atomskih jona i elektrona.
Strukturni elemenat- jedan atom, grupa atoma jedne ili vie razliitih elemenata
Materija
vrsto tijelo Tenost Gas
Kristali
Monokristali Polikristali
Amorfni materijali
Kristali Veina tvari koje se pojavljuju u prirodi u vrstom stanju su kristali.
Osnovno svojstvo kristala je pravilnost rasporeda stru kturnih elemenata u simetri nu trodimenzionalnu formu koja se periodi no ponavlja u prostoru.
Idealan kristal- obrazuje se beskonanim pravilnim ponavljanjem u prostoru identine strukturne forme. Kae se da posjeduje dugodoseno ure enje.
U prirodi nema idealnih kristala zato to postoje defe kti/greke. Svako odstupanje od idealne strukture je defekt- to m oe biti i povrina kristala jer prekida kristalnu strukturu.
Amorfni materijali (gr ki amorphos-bez oblika)- vrsta tijela koja nemaju pravilan dugodoseni raspored estica kao to je sluaj u kristalu. Odlikuje ih kratkodosena ure enost.
ta kristale ini kristalima?
Odgovor: mikroskopska pravilna struktura (periodina reetka)
Kako ustanoviti da neto ima pravilnu mikroskopsku strukturu?
Odgovor: Rentgenska difrakcija Kristali su dakle graeni od manjih strukturnih jedinica
koje su pravilno rasporeene u trodimenzionalnu mrei ili kristalnu reetku
Ove manje strukturne jedinice su ili atomi ili grupe atoma ili cijele molekule (grupe molekula)
Dugodoseno vs. kratkodoseno ureenje
Dugodoseno ureenje- sa porastom rastojanja od neke estice (atoma) nita se neepromijeniti, ureenost ostaje istaKratkodoseno ureenje-sa porastom rastojanja od neke estice ureenost rasporeda ostalih estica prestaje
2D prikaz kristalne i amorfne strukture SiO2, u kristalnom stanju se zove kvarc,a u amorfnom stanju staklo
Ureenje Gasovi- nema ureenja (no order) Tekuine, amorfna tijela-kratkodoseno ureenje (short range
order)- samo na malim rastojanjima Kristali-dugodoseno ureenje (long range order)
Amorfna tijela
Analogija tenosti i amorfnih tijela-Ultrabrzim hlaenjem nekih tenosti vjerovatnoa
nastanka amorfnog tijela je vea nego nastanka kristala-Metastabilno stanje- zamrznuta tekuina -Amorfna tijela- nemaju tano odreenu taku topljenja,
zagrijavanjem postepeno razmekavaju, viskoznost im se smanjuje i ponaaju se poput tenosti- posljedica nedostatka dugodosene ureenosti
Tokom vremena mogu kristalizirati- primjer- kristalizacija meda
Primjeri kristala i amorfnih tijela
Kristali: Amorfna tijela:metali(bakar, eljezo...) obino stakloeer (kristalni) i kuhinjska so plastike i ostali polimeriDijamanti i drago kamenje smole, gumaKristali i minerali medPahulje snijega, led
Razlika: kristali se odlikuju visokim stepenom regularnosti svoje strukture
Svojsto anizotropije kristala
Kristali pokazuju svojstvo anizotropije (zavisnost neke fizikalne veliine-mehanike, toplotne, elektrine... od pravca posmatranja)
Anizotropija se ne mora iskazivati u svim svojstvima kristala, npr. kristal moe biti mehaniki izotropan, a elektriki anizotropan
Zbog nedovoljne mikroskopske pravilnosti amorfnih tijela i tenosti u njima e razmjetaj estica prema svim smjerovima biti podjednako nepravilan. U tim tijelima ne postoje istaknuti smjerovi promatranja.
To vrijedi takoe i za gasove zbog haotinog rasporeda molekula
Zato kaemo da su oni izotropni
Primjer anizotropije kristalaPrimjer anizotropije elektrine otpornosti i termalne vodljivosti u materijaluK0.3MoO3
Kristali
monokristal polikristal
Rijetko se u procesima proizvodnje javlja kristal u vidu jednog velikog kristala(monokristala)ee se dobiju polikristali koji su sastavljeni od vie monokristalia (kristalita)Zavisno od veliine kristalita imamo mikrokristalne i nanokristalne materijale
Podjelu kristala: monokristalpolikristal
Trodimenzionalni translacioni periodini aranman
atoma
Kristal
Trodimenzionalni translacioni periodini aranman
taaka
Reetka
Kakav je odnos izmeu reetke i kristala?
Kristal = Reetka + Motiv
Motiv ili baza: atom ili grupa atoma koji su pridrueni svakom voru (taki) reetke
Kristal=reetka+osnova
Reetka: podloga periodinosti kristala,
Baza: atom ili grupa atoma koji se
pridruuju svakom voru reetke
Reetka: kako se neto ponavlja
Motiv: ta se ponavlja
Kristalna reetka i kristalna struktura
Osnovni koncept u FS- translaciona simetrija ije je najznaajnije svojstvo ponavljanje 3D modela izabranog za jedinicu ponavljanja
Jedinica ponavljanja- elementarna (jedinina) elija
Izbor elementarne elije nije jednoznaan
Najmanja jedinina elija (ona koja ima najmanju zapreminu u 3D ili povrinu u 2D sluaju) zove se primitivna elija
Bilo kakva elija: elementarna (jedinina) elija
Svaka primitivna elija je ujedno i elementarna, obrnuto ne vrijedi !!!
Proizvoljnost u odabiru elementarne elije
3D 2D
Top Related