მყარი სხეული

მყარი სხეული — ნივთიერების ერთ-ერთი აგრეგატული მდგომარეობა, რომელიც დანარჩენი აგრეგატული მდგომარეობებისაგან (თხევადი, აირისებრი, პლაზმური) განსხვავდება ფორმის მდგრადობითა და ატომების სითბური მოძრაობის ხასიათით (ატომები ირხევა მცირე ამპლიტუდით წონასწორული მდებარეობის მახლობლად). მყარი სხეული შეიძლება იყოს კრისტალური ან ამორფული. კრისტალური სხეულები ხასიათდება შორი წესრიგით ატომთა განლაგებაში, ამორფულ სხეულებში კი შორი წესრიგი არ არსებობს.

ატომური ნაწილაკების შედგენილი სისტემის ენერგიის უმცირესი მნიშვნელობა შეესაბამება ნაწილაკთა ერთნაირი ჯგუფების პერიოდულ განლაგებას, ე. ი. კრისტალურ სტრუქტურას. ამიტომ თერმოდინამიკური თვალსაზრისით ამორფული მდგომარეობა არ არის წონასწორული და დროთა განმავლობაში უნდა გადავიდეს კრისტალურში. ჩვეულებრივ პირობებში ასეთი გადასვლის დრო შეიძლება იმდენად დიდი იყოს, რომ უწონასწორობა არ გამომჟღავნდეს და ამორფული სხეული პრაქტიკულად მდგრადი აღმოჩნდეს. კრისტალურ მყარ სხეულსა და სითხეს შორის განსხვავება თვისებრივია, ამორფულ მყარ სხეულსა და სითხეს შორის კი განსხვავება მხოლოდ რაოდენობრივია. ამორფული მყარი სხეული შეიძლება განხილულ იქნას როგორც ძალიან დიდი (პრაქტიკულად უსასრულო) სიბლანტის მქონე სითხე.

ბუნებაში არსებული ყველა ნივთიერება (ჰელიუმის გარდა) ტემპერატურის დაწევის შემდეგ გადადის მყარ მდგომარეობაში ნორმალური ატმოსფერული წნევის დროს. ჰელიუმი ასეთ პირობებში თხევადი რჩება რაგინდ მცირე ტემპერატურამდე. მისი კრისტალიზაციისათვის აუცილებელია დამატებითი წნევა. მაგალითად, T = 1,5 K ტემპერატურაზე ჰელიუმი გადადის მყარ მდგომარეობაში 24 ატმ წნევის დროს. ეს უნიკალური თვისება აიხსნება კვანტური თეორიით.

მყარი სხეულის თვისებების ახსნა შესაძლებელია მისი ატომურ-მოლეკულური აღნაგობისა და ატომური ნაწილაკების (ატომები, მოლეკულები, იონები), აგრეთვე სუბატომური ნაწილაკების (ელექტრონები, ატომთა ბირთვები) მოძრაობის კანონების საფუძველზე. მყარ სხეულთა თვისებებსა და მათში ნაწილაკთა მოძრაობას სწავლობს მყარი სხეულის ფიზიკა. მყარი სხეულის ფიზიკის განვითარება მჭიდროდაა დაკავშირებული პრაქტიკის ძირითად ტექნიკურ მოთხოვნილებებთან.

კვანტური წარმოდგენები მყარი სხეულის ფიზიკაში

მყარ სხეულთა თვისებების ახსნა შესაძლებელია მხოლოდ კვანტური მექანიკის საფუძველზე. კრისტალური სხეულების კვანტური თეორია საკმარისად დაწვრილებითაა დამუშავებული, ამორფული სხეულებისა კი — შედარებით სუსტად. კვანტური აღწერის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი შედეგია წარმოდგენა კვაზინაწილაკების შესახებ. კრისტალის ენერგია ძირითადი მდგომარეობის მახლობლად შეიძლება წარმოდგენილ იქნას როგორც ელემენტარულ აგზნებათა ჯამი — ცალკეულ კვაზინაწილაკთა ენერგიების ჯამი. ეს საშუალებას იძლევა შემოტანილ იქნას წარმოდგენა „კვაზინაწილაკების აირის“ შესახებ და მყარი სხეულის სითბური, მაგნიტური და სხვა თვისებების შესწავლისას გამოვიყენოთ აირთა კვანტური ფიზიკური მეთოდები. მყარი სხეულის მაკროსკოპული მახასიათებლები ამ დროს გამოისახება კვაზინაწილაკების მახასიათებელი სიდიდეებით (განარბენის სიგრძე, სიჩქარე, ეფექტური მასა და ა. შ.).

მყარ სხეულს, როგორც ნაწილაკთა ძალიან დიდი რიცხვისაგან შედგენილ ფიზიკურ ობიექტს, ახასიათებს მრავალი თავისებურება, რომელთაგან შეიძლება გამოიყოს ზოგიერთი. მაგალითად:

• მყარი სხეულის სტრუქტურული ერთეულების (ატომები, მოლეკულები და იონები) ურთიერთქმედების ენერგია ნაკლებია იმ ენერგიაზე, რომელშიც საჭიროა თვით სტრუქტურული ერთეულების დასაშლელად (მოლეკულისა — ატომად, ატომისა — იონად და ა. შ.), მაგრამ მეტია სითბურ ენერგიაზე (აირებში პირიქითაა). როცა სითბური მოძრაობის ენერგია სტრუქტურულ ერთეულებს შორის ურთიერთქმედების ენერგიის რიგისაა ან უფრო მეტია, ხდება სტრუქტურის გადაკეთება (ფაზური გადასვლები), რომელსაც თან ახლავს თავისუფალი ენერგიის შემცირება.
• ტემპერატურის დაწევით შესაძლებელია გარკვეული ტიპის მოძრაობის „გაყინვა“. ამიტომ სხვადასხვა ხასიათის მოძრაობა მყარ სხეულში შეიძლება მნიშვნელოვანი იყოს სხვადასხვა ტემპერატურაზე.
• მყარ სხეულში შესაძლებელია არსებობდეს სტატიკური აგზნებები (კრისტალთა დეფექტები).
• ნაწილაკთა შორის მოქმედი ძალების მრავალფეროვნების შედეგად განსაზღვრულ პირობებში მყარი სხეული შეიძლება ამჟღავნებდეს აირის, სითხის ან პლაზმის თვისებებს.
• მყარი სხეულის სხვადასხვა თვისების დროს თავს იჩენს ატომური ნაწილაკების სხვადასხვა ხასიათის მოძრაობა: ა) ატომთა ფლუქტუაციური გადაადგილება თავიანთ მიერ დაკავებული მდებარეობიდან მეზობელ, თავისუფალ მდებარეობაში (დიფუზია). ბ) ნაწილაკთა კოლექტიური მოძრაობა (კრისტალური მესრის რხევა). გ) ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ზოგიერთ მყარ სხეულში შესაძლებელია მოძრაობა, რომელიც კვანტურია ბუნებით, ხოლო მაკროსკოპულია თავისი მასშტაბით (ზეგამტარობა, ზედენადობა).
• სხვადასხვა მოვლენა ან თვისება შეიძლება განპირობებული იყოს სხვადასხვა კვაზინაწილაკით. მაგალითად, ლითონთა მაღალ ელექტროგამტარობას განაპირობებს გამტარობის ელექტრონები, თბოგამტარობას — ექსიტონები, ფერომაგნიტურ რეზონანსს — მაგნონები და სხვ.
• ყველა მყარი სხეული ტემპერატურის აწევისას დნება (ან ქროლდება). დნობის ტემპერატურა, რომელიც ახასიათებს მყარ სხეულში ატომურ ნაწილაკთა შორის ბმის ძალებს, სხვადასხვა ნივთიერებისათვის სხვადასხვაა.
• ბევრ შემთხვევაში გარკვეულ ტემპერატურაზე მყარ სხეულში ატომური ნაწილაკების ყველა თავისუფლების ხარისხი შეიძლება ორ კატეგორიად დაიყოს: ზოგიერთებისათვის KT დიდია მათი ურთიერთქმედების დამახასიათებელ ენერგიაზე. სხვა თავისუფლების ხარისხისათვის KT მცირეა ურთიერთქმედების ენერგიასთან შედარებით. თავისუფლების ხარისხები, რომელთათვისაც KT>>U შეიძლება აიწეროს „ნაწილაკთა აირის“ ტერმინებით. თავისუფლების ხარისხები, რომლებისთვისაც KT<<U იმყოფებიან აგზნების უდაბლეს დონეზე, რის გამოც მათი შესაბამისი მოძრაობები შეიძლება აიწეროს ერთმანეთთან სუსტად ურთიერთმოქმედი კვაზინაწილაკების შემოყვანის გზით. ამრიგად, ბევრ შემთხვევაში მყარი სხეულის თვისებები შეიძლება „დავიყვანოთ“ ნაწილაკების ან კვაზინაწილაკების აირთა თვისებებზე, ამასთან, ძლიერი ურთიერთქმედება არ „ისპობა“, იგი განსაზღვრავს მყარი სხეულის სტრუქტურას (მაგალითად, კრისტალურ მესერს) და ცალკეული კვაზინაწილაკის თვისებებს. კვაზინაწილაკები არსებობს არა თავისუფალ სივრცეში (როგორც ნაწილაკები რეალურ აირებში), არამედ კრისტალურ მესერში, რომლის სტრუქტურა აისახება კვაზინაწილაკების თვისებებით. მეორე გვარის ფაზური გადასვლის წერტილების მახლობლად ასეთი „დაყვანა“ შეუძლებელია, რადგან მყარი სხეულის ატომური ნაწილაკების მოძრაობა ასეთ პირობებში კორელირებულია (კვაზინაწილაკების „ენაზე“ ეს იმას ნიშნავს, რომ არ შეიძლება მათი ურთიერთქმედების უგულებელყოფა).

მყარი სხეულის ატომურ-მოლეკულური სტრუქტურის, მისი შემადგენელი ნაწილაკების მოძრაობის ხასიათის ცოდნა ხსნის დასაკვირვებელ მოვლენებს და საშუალებას გვაძლევს ვიწინასწარმეტყველოთ მყარი სხეულის ჯერ აღმოუჩენელი თვისებები, აგრეთვე მიზანდასახულად შევცვალოდ მყარი სხეულის სტრუქტურა და სხვა.

მყარი სხეულის ატომურ-კრისტალური სტრუქტურა

მყარი სხეულის ატომურ-კრისტალური სტრუქტურა დამოკიდებულია ატომის ნაწილაკებს შორის მოქმედ ძალებზე. გარე წნევის გავლენით ატომებს შორის საშუალო მანძილის ცვლილებით შეიძლება არსებითად შევცვალოთ სხვადასხვა ბუნების ატომთშორისი ძალების წვლილი და ამის გამო — კრისტალური სტრუქტურაც.

მყარი სხეულის მექანიკური თვისებები

მყარი სხეულის მექანიკური თვისებები, რომლებიც გამოიხატება რეაქციებში გარე მექანიკურ ზემოქმედებებზე — გაჭიმვასა და კუმშვაზე, ღუნვაზე, გრეხაზე და სხვა — განისაზღვრება მის სტრუქტურულ ნაწილაკებს შორის ბმების ძალებით, რომელთა მრავალსახეობა იწვევს მექანიკური თვისებების მრავალგვარობას: ზოგი მყარი სხეული პლასტიკურია, ზოგი — მყიფე. მექანიკური მახასიათებლები იცვლება ტემპერატურის ცვლილებით, მაგალითად ამაღლებით პლასტიკურობა ჩვეულებრივ იზრდება.

მცირე სტატიკური დატვირთვის დროს ყველა მყარი სხეულის ძაბვასა და დეფორმაციას შორის არსებობს წრფივი დამოკიდებულება (ჰუკის კანონი). დიდი დატვირთვის დროს რეალური მყარი სხეულის რეაქცია არსებითადაა დამოკიდებული ნიმუშის დეფექტურობაზე (დისლოკაციების არსებობაზე, კრისტალების მარცვლების ზომებზე და ა. შ.).

მყარი სხეულის მექანიკური თვისებები დამოკიდებულია მის დამუშავებაზე (გამოწვა, წრთობა, ლეგირება და ა. შ.).

ელექტრონები მყარ სხეულში, ზონური თეორია

მყარ სხეულში ატომთა მიახლოება თვით ატომთა ზომების რიგის მანძილებზე იწვევს იმას, რომ გარე (სავალენტო) ელექტრონები კარგავს კავშირს გარკვეულ ატომთან და მოძრაობს მთელ მყარ სხეულში, რის გამოც ენერგიის დისკრეტული ატომური დონეები ფართოვდება ზოლებად. დასაშვებ ენერგიათა ზონები შეიძლება ერთმანეთისაგან განცალკევებული იყოს აკრძალულ ენერგიათა ზონებით, მაგრამ შეიძლება გადაფარონ კიდეც ერთმანეთი).

მყარი სხეული ელექტრული თვისებების მიხედვით იყოფა დიელექტრიკებად, ნახევრად გამტარებად და ლითონებად. მაგნიტური თვისებების მიხედვით — დიამაგნეტიკებად, პარამაგნეტიკებად, ფერომაგნეტიკებად, ანტიფერომაგნეტიკებად და ფერიმაგნეტიკებად.

მყარი სხეულის ფიზიკა ახალი მასალების შექმნის უწყვეტად მოქმედი წყაროა. მყარი სხეულის ფიზიკაში ჩასახულმა ახალმა იდეებმა შეაღწიეს ბირთვულ ფიზიკაში, ასტროფიზიკაში, ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში, მოლეკულურ ბიოლოგიაში, გეოლოგიაში და სხვა.