Fizyczne podstawy materiałoznawstwa
Rozdział 4 - Wiązania w kryształach
1. Na czym polega istota wytrzymałości mechanicznej ciał stałych?
Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest efektem działania między atomami sił spójności,
które zależą głównie od charakteru wiązania, ale także od innych czynników jak typ sieci,
kierunek działania sił wzlędem osi krystalograficznych, obecność defektów sieci,
temperatura, warunki odkształcenia i inne.
2. Co to jest odległość równowagowa atomów w krysztale?
Odległością równowagową atomów nazywamy taką odległość, przy której siły przyciągania
równoważą się z siłami odpychania, dzięki czemu siły wzajemnego oddziaływania są równe
zeru. Odległość ta jest stała w określonych warunkach i dla danego materiału. Zarówno siły
przyciągania jak i odpychania zależą od odległości międzyatomowej (rys.4.1), ale w
odległości ro ( równowagowej) siły te są równe i przeciwnie skierowane, jednocześnie
energia wzajemnego oddziaływania jest minimalna. W miarę zbliżania atomów , gwałtownie
rośnie siła odpychająca atomy, a przy oddalaniu zwiększa się siła przyciągająca, która
decyduje o wytrzymałości. W obydwóch przypadkach jest to związane ze wzrostem energii
potencjalnej U układu atomów.
3. Jakie wnioski można wyciągnąć z wykresu sił (lub energii) wzajemnego oddziaływania
atomów w funkcji odległości?
Z wykresu (
)(rys.4.1) można wyciągnąć następujące wnioski:
1. Gdy r jest bardzo duże, siła wzajemnego oddziaływania F i energia potencjalna
wzajemnego oddziaływania U są równe zeru.
2. Ze zmniejszaniem r pojawia się siła przyciągająca i energia układu maleje, osiągając
minimum przy r
0
. Wtedy siła wzajemnego oddziaływania jest równa zeru.
3. Dalsze zmniejszanie r wywołuje gwałtowny wzrost siły odpychającej i energii U.
4. Jakie typy wiązań międzyatomowych występują w różnych materiałach?
Rozróżnia się cztery typy wiązań międzyatomowych: jonowe, atomowe (kowalencyjne),
międzycząsteczkowe (van der Waalsa) i metaliczne. Wiązanie jonowe jest typowe dla
kryształów jonowych (np.NaCl), atomowe dla dwuatomowych cząsteczek gazu (H
2
,N
2
,O
2
), a
także materiałów półprzewodnikowych (Si, Ge).
Wiązanie van der Waalsa łączy cząsteczki, które powstają za pomocą wiązania atomowego, w
skondensowane stany skupienia (np.przy skraplaniu gazów (H
2
, Cl
2
, N
2
), a także w
kryształach jodu, siarki, selenu i telluru oraz działa między łańcuchami organicznych
polimerów. Wiązanie metaliczne występuje w metalach i związkach międzymetalicznych,
które wykazują własności metaliczne.
5. Na czym polega wiązanie jonowe?
Wiązanie jonowe jest wynikiem dążenia różnych atomów do tworzenia trwałych 8-
elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych poprzez uwspólnienie elektronów (
(rys.4.2). Tak np. w NaCl atom sodu mający na zewnętrznej orbicie 1 elektron oddaje go
atomowi chloru stając się jonem dodatnim. Z kolei atom chloru, który ma na zewnętrznej
orbicie 7 elektronów, przyłączając jeden elektron staje się jonem ujemnym. Wiązanie
powstaje na zasadzie kulombowskiego przyciągania się przeciwnych ładunków. Powstała
