қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
586
587
Қатты денелердің құрылымдық бірліктері атомдар, молекулалар немесе ион-
дар болады. Қатты денелердің кристалдық құрылымы атомдық бөлшектердің
арасында әсер етуші күштерге тәуелді.
Атомдық бірдей бөлшектер әртүрлі
құрылымдар –
сұр және ақ қалайыны, графит пен алмасты, т.б. құра алады.
Сыртқы қысымдар арқылы атомдардың аралығын өзгерте отырып қатты
денелердің кристалдық құрылымын және қасиеттерін едәуір өзгертуге болады.
Жоғары қысымдар кезінде пайда болған көптеген кристалдық түрлер белгілі
болған. Көптеген жартылайөткізгіштер қысымның әсерінен металдық күйге
ауысқан [120 000 атм қысым кезінде S (күкірт) металға айналған ]. Сыртқы қы-
сым әсерінен 1 атомға тиесілі көлем әдеттегі атомның өлшемінен кіші болатын
болса, онда атом өзіне тән жеке ерекшелігінен айырылады да
зат күшті сығымдал-
ған электрондық-ядролық плазмаға айналады. Заттардың осындай күй-
лерін зерттеу, дербес жағдайда жұлдыздардың құрылымдарын түсінуде
маңызды болмақ.
Қатты денелердің құрылымдары мен қасиеттерінің өзгеруі (ф а з а л ы қ
а у ы сулары) температураның өзгеруінен, магниттік өрістің және басқа сыртқы
әсерлердің ықпалынан да туындайды.
Қатты денелер
байланыс типтері бойынша бес топқа ажыратылған,
бұлардың әрқайсысы электрондарының өзіндік
кеңістіктік орналасуы бойын-
ша сипатталады. 1) Иондық кристалдардағы (Na Cl, KCl т.б.) иондар арасындағы
негізгі тартылыс күштері –
электрстатикалық күштер. 2) Ковалентті байла-
нысты кристалдардағы (алмас, Ge, Sі) көрші атомдардың валенттілік электрон-
дары ортақтастырылған. Кристалл үлкен молекула тәрізді болады. 3) Көптеген
металдардың байланыс энергиясын иондық қаңқалы (металдық байланыс)
Қатты денелердегі энергетикалық зоналар
қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
586
587
жылжымалы электрондардың ортақтастырылған өзараәсерлесулері тудырады.
Кейбір металдардың (мысалы, ауыспалы) ішкі толтырылмаған қабықшалардың
электрондары жүзеге асыратын
коваленттік байланыс маңызды. 4) Молекулалық
кристалдардағы молекулалары молекулалардың динамикалық
полярлануы-
нан туған әлсіз электрстатикалық күштермен (ван-дер-ваальстік күштермен)
байланысқан. 5) Сутегілік байланысты кристалдардағы сутегінің әрбір атомы бір
мезгілде өзге екі атомның тартылыс күшімен байланысқан. Сутегілік байланыс
су молекуласының диполдік моменттерінің электрстатикалық тартылысымен
бірге
су мен мұздың қасиеттерін анықтайды. Көптеген заттарда әртүрлі типті
байланыстар аралас-құралас (комбинациялы) байқалады.
Қатты денелердегі атомдық бөлшектер арасында әрекет ететін күштер әртүрлі
болғанымен, олардың көздері
электрстатикалық тартылыс пен кері тебу
болады. Атомдар мен молекулалардан пайда болған орнықты қатты денелер
~10
–8
см аралықтағы тартылыс күштерінің кері тебу күштерімен (олар кванттық-
механикалық табиғатты және ара қашықтық артқан сайын тез кемитін болады)
теңгерілетіндігін көрсетеді. Кейбір жағдайларда атомдық бөлшектерді қатты
шарлар ретінде қарастыруға және оларды атомдық радиустармен сипаттауға
болады. Өзараәсерлесу күштерін білу күйлер теңдеуін қорытып шығаруға
мүмкіндік жасайды.
Қатты денелердің барлығы (тек қатты гелийден өзгелері) жеткілікті жоғары
температурада
балқиды немесе
құрғақтай айдалады (қатты күйден тікелей газ
күйге ауысу).
Қатты гелий (қысым әсерімен) температура төмендеген кезде ғана балқиды.
Балқу үрдісі (процесі) кезінде денеге берілетін жылу атомаралық байланыстарды
үзуге жұмсалады. Қатты денелердің балқу температурасы Т
бал
әртүрлі табиғатты
денелер үшін әрқалай болады (молекулалық сутек – 259,1°С-де, вольфрам 3410±
20°С-та, графит 4000°C
-тан артық температурада балқиды).
Қатты денелердің механикалық қасиеттерін оның бөлшектерінің құрылымдық
бөлшектер арасында әсер ететін байланыс күштері анықтайды. Бұл күштердің
әрқилылығы қатты денелердің механикалық қасиеттерінің әртүрлі болуына
себепші болған: кейбір қатты денелер
пластикалы, басқалары – морт болады.
Әдетте металдар диэлектриктермен салыстырғанда пластикалы дене. Температура
артқан сайын пластикалық қасиет әдетте арта түседі. Аздаған жүктеме кезінде
барлық қатты денелерде серпімді деформация байқалады. Кристалдардың берік-
тігі атомаралық байланыстарға сәйкес келмейді. 1922 жылы кеңес физигі Абрам
Иоффе (1880 – 1960) нақты кристалдарда байқалатын беріктіктің төмен болу
қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
588
589
себебін және оның макроскопиялық ақаулардан пайда болатынын түсіндірген
(Иоффе эффектісі). 1933 жылы ағылшын физигі Джеффри
Тейлор (1886 – 1975),
Э.
Орован (АҚШ) және М.Поляни (Ұлыбритания) дислокация туралы ұғым-
ды тұжырымдаған.
Электрон ашылысымен
қатты денелердің электрондық теориясы дамы-
тыла бастады. 1900 жылы неміс физигі Пауль
Друде (1863 – 1906) металдардағы
валенттілік электрондардың атомдармен байланыспайтынын, кристалдық тор-
ларды толтыратын еркін электрондар газын құрайтынын алдын ала болжаған.
Осы моделді 1904 – 1905 жылдары голланд физигі Хендрик
Лоренц (1853 – 1928)
дамытқан. Сыртқы электр өрісі электрондардың бағытталған қозғалысын, яғни
электр тогын тудырады. Металдардың электрлік кедергісі электрондардың
торлардың иондарымен соқтығысуларынан пайда болатыны түсіндірілді,
металдардың жоғары электр өткізгіштігін түсіндіру үшін, атомдар арасындағы
орташа қашықтықтардан едәуір артық болатынын е р к і н жол ұ з ы н д ы ғ ы
теориясы енгізілді.
Друде-Лоренц теориясы Видеман – Франц заңын және
металдардың оптикалық қасиеттерін түсіндіре алды, солардың арасында теория
жүзінде алдын ала болжанған электрондардың жылу сыйымдылығына қосқан
үлесі тәжірибедегіден алшақтау (бірнеше есе) болды.
Металдардағы электрондық газдарды сипаттауға кванттық механиканың
және кванттық статистиканың әдістерін қолдану (Ферми – Дирак үлестірілуі)
[ 1927 – 1928 жылдары неміс физигі Арнольд
Зоммерфельд (1868–1951) және
кеңес физигі Яков
Френкель (1894 – 1952)] қатты денелердегі кинетикалық
құбылыстардың кванттық теориясын дамытуға арналған негізді жасаған (электр-
және жылуөткізгіштік, гальванимагниттік құбылыстар, т.б.). Осы теория бойын-
ша металдағы электрондық газ күшті
айныған.
Т=0 К болған кезде металдағы
электрондардың барлық энергия деңгейлері белгілі бір максимал деңгейге дейін
толтырылған (Ферми энергиясы), температура жоғарылаған сайын тек аздап қана
шайылып кетеді. Осы жайт 1927 жылы А.Зоммерфельдке металдардағы жылу
сыйымдылыққа электрондардың аздаған үлес қосуын түсіндіруге талпынған.
Жылу сыйымдылықтың электрондық бөлігі, бақыланатын шама, себебі Т→0
(температура нөлге ұмтылғанда) кезде ол Т (температураға) пропорционал, ал
жылу сыйымдылықтың торлық бөлімі Т
3
-іне (температураның үшінші дәреже-
сіне) пропорционал болады.
Кристалдық торлардың периодтық өрісінің электрондар қозғалысына әсер-
лерін кванттық-механикалық тұрғыдан қарастыру [1928 – 1934 жылдары амери-
кан физигі Феликс
Блох (1905 – 1983), француз физигі Леон
Бриллюэн (1889
