Kietiejųjų kūnų savybės
Mokslo ir gamybos pažanga didele dalimi priklauso nuo reikiamas savybes turinčių kietųjų medžiagų, todėl kietojo kūno tyrimams fizikoje skiriamas ypatingas dėmesys. Bemaž puse pasaulio fizikų šiuo metu užsiima kietojo kūno fizika. Jie tiria kietųjų medžiagų struktūrą ir jos ryšį su mechaninėmis, elektrinėmis ir magnetinėmis, optinėmis savybėmis, kietuosiuose kūnuose vykstančius reiškinius.
Kietieji kūnai gali būti kristaliniai arba amorfiniai.
Kristalai (gr. krystallos – ledas, krištolas) – tai kietieji kūnai, kuriems būdinga taisyklinga geometrinė forma; ją lemia periodiškas dalelių išsidėstymas kristalo viduje. Kristalą sudarančių dalelių – atomų, molekulių ar jonų – taisyklingas išsidėstymas periodiškai kartojasi šimtus tūkstančių kartų, todėl sakoma, kad kristaluose yra tolimoji tvarka. Neturintieji kristalinės struktūros kietieji kūnai vadinami amorfiniais (gr. amorphos – beformis). Amorfines medžiagas (vašką, parafiną, gintarą, stiklą) galima laikyti net ne kietaisiais kūnais, o didelio klampumo skysčiais, nes jų dalelių išsidėstymui būdinga tik artimoji tvarka, ir jie turi skysčio savybių (pvz., derva, ilgai veikiama slėgio, teka).
Kristalų susidarymą, vidinę struktūrą ir formą, fizines ir chemines savybes tirianti mokslo šaka vadinama kristalografija.
Kai kurios medžiagos (kvarcas, žėrutis, deimantas, įvairios druskos) gali sudaryti stambius gražių taisyklingų formų pavienius kristalus – monokristalais (gr. mono – vienas). Tačiau dauguma kietųjų kūnų (metalai cukrus, granitas, gipsas ir kt.) yra sudaryti iš daugybės labai smulkių chaotiškai išsidėsčiusių ir tarpusavyje suaugusių kristaliukų, todėl vadinami polikristalais (gr. polys – gausus).
Tyrinėjant įvairias medžiagas, niekados iki šiol nekilo mintis, kad kūno fizikinės savybės gali priklausyti nuo krypties. Tačiau taip yra monokristaluose: įvairiomis kryptimis jie nevienodai praleidžia šilumą, elektrą, šviesą ir garsą, nevienodai skyla nuo smūgių, plečiasi šildomi ir kt. Ši monokristalų savybė vadinama anizotropija.
Įjunkime į elektros grandinę sieros kristalą įvairiose padėtyse ir įsitikinsime, kad jis laidus elektrai tik viena kryptimi. Iš kvarco kristalo išpjautas rutulys pakaitintas virsta sukimosi elipsoidu – tai rodo, kad šio kristalo šiluminis plėtimasis įvairiomis kryptimis skirtingas.
Nudaužytomis briaunomis ar viršūnėmis kristalas, įleistas į persotintą tos medžiagos tirpalą, “užsigydo žaizdas”, t.y. atstato buvusią taisyklingą formą.
Peršvietus įvairius kristalus Rentgeno spinduliais paaiškėjo, kad išorinę kristalo formą lemia vidinė jo struktūra – atomų, molekulių ar jonų išsidėstymas. Dalelės kristaluose išsidėsčiusios tvarkingai: lygiais tarpais tam tikromis eilėmis, geometrinėmis figūromis plokštumose ar erdvėje. Jos sudaro daug kartų pasikartojančią taisyklingos geometrinės formos erdvinę gardelę. Tai – kristalo struktūriniai elementai, tarsi blokai, iš kurių sumontuotas visas kristalas.
Įvairių kristalų gardelės skirtingos. Pavyzdžiui, natrio, chromo, geležies gardelės yra kubo formos, cinko, magnio ir daugelio lydinių – šešiasienės stačiosios prizmės, Islandijos špato – romboedro formos. Gali būti 230 įvairių kristalo erdvinės gardelės formų.
Nuo erdvinės gardelės formos priklauso ir kristalinės medžiagos fizikinės savybės. Pavyzdžiui, ir juodas, minkštas, laidus elektrai grafitas, kurio rašome, ir labai kietas, skaidrus brangakmenis deimantas, ir paprasčiausi suodžiai yra to paties elemento – anglies – atmainos. Skiriasi šios medžiagos tik anglies atomų išsidėstymu – kristalinės gardelės forma. Kai kurių medžiagų gebėjimas kristalizuotis keliomis formomis vadinamas polimorfizmu.
Didelę įtaką kristalų savybėms daro įvairūs jų vidinės struktūros defektai. Dėl jų mažėja kristalų mechaninis stiprumas, skaidrumas, kinta varža, kitos savybės.
Taškiniai defektai – tai paskiri priemaišų atomai, įsiterpę arba specialiai įterpti tarp kristalo gardelės mazgų arba įsikūrę mazguose vietoj pagrindinės medžiagos atomų. Vos 0,01% priemaišų germanio arba silicio kristaluose šimtus kartų sumažina jo elektrinę varžą. Tačiau kai kurios priemaišos padidina kristalų tvirtumą, todėl, lydant atsparius plienus, į juos specialiai įmaišoma priedų (nikelio, volframo,kobalto ir kt.).
Dažnai pasitaikantis taškinis defektas – tuščias gardelės mazgas. Dėl šių defektų kietuose kūnuose galima difuzija (savaiminis skirtingų skysčių ar kietųjų kūnų maišymasis laikui bėgant).
Būna kristaluose ir stambesnių defektų, apimančių dalelių grandinėles, sluoksnius, kristalo tūrio sritis – plyšiai, nepilnos plokštumos, sluoksnių poslinkiai vienas kito atžvilgiu (dislokacijos). Ypač sunku išvengti defektų kristalo paviršiuje. Kristalas su daug defektų – tarsi nelabai tvarkingai sukrauta plytų krūva. Defektai, ypač dislokacijos, mažina kūno atsparumą, daro jį trapesnį. Jie šalinami specialiai apdorojant medžiagas.