PowerPoint Presentation

Transkriptas

1 Dalyko sando kodas (Course code) Dalyko aprašas MKFA714 Dalyko pavadinimas (Course title) Dėstytojo (-jų) pedagoginis vardas, vardas ir pavardė (Name and position of lecturer) Dalyko sando lygis (Level of Course) Kuriame kurse dėstomas (Year of study) Semestras (Semester) Kai kurios fizikos aktualijos Prof. habil. dr. Antanas Feliksas Orliukas Antroji pakopa I-ojo kurso magistrinėse studijose (MIF) Pavasario VU kreditai (VU credits) 3 ECTS kreditai (ECTS credits) 5 Reikalavimai (Prerequisites) Bendrąją fiziką, matematinę analizę, matematinius fizikos metodus, matematinę statistiką

2 Dalyko sando tikslai (Objectives of the course) Paskaitose analizuojamos medžiagų sandaros, termodinaminiai dėsningumai,nagrinėjami laidininkų, puslaidininkių, feroelektrikų, superjonikų laidumai, kalbama apie elektroninio, joninio laidumų sandų sąryšį bei taškinius defektus kietuose kūnuose. Dalyje paskaitų nagrinėjami feroelektriniai, feromegnetiniai, superjoniniai faziniai virsmai bei medžiagų fizikinių savybių modeliavimui, įskaitant izomorfinį elementų keitimą, stabilizuojančių priemaišų įtaką bei nuokrypio nuo stechiometrijos poveikį elektriniam kietųjų kūnų laidumui. Kalbama apie praktinį medžiagų taikymą. Studentai supažindinami su naujausiais kietojo kūno fizikos atsiekimais, su matematinės fizikos bei medžiagotyros sąsajomis, aptariami atomo bei branduolio fizikos dėsningumai.

3 Dalyko sando turinys (Course content) 1. Molekulių fizika 1. Medžiagos sandara.. Termodinamikos dësniai 3. Kietųjų kūnų savybės 4. Skysčių savybės 5. Dujų savybės. Medžiagų elektrinis laidumas 1. Metalai elektriniame lauke.puslaidininkiai ir dielektrikai elektriniame lauke. 3. Feroelektrikai. 4. Diamagnetikai, paramagnetikai, feromagnetikai magnetiniame lauke 5. Superjonikai. 6. Superlaidininkai.

4 3. Cheminė junginių sudėtis ir jų elektrinės savybės 1.Izomorfinio elementų keitimo įtaka elektrinėms kietųjų kūnų elektrinėms savybėms.. Stabilizuojančiųjų priemaišų įtaka elektrinėms kietųjų kūnų savybėms. 3. Stechiometrija ir elektrinės kai kurių medžiagų savybės.

5 4. Kietakūnių medžiagų taikymas 5. Atomo ir branduolio fizikos pagrindiniai dėsningumai

6 Pagrindinės literatūros sąrašas (Reading list) 1. Tetsuichi Kudo and Kazuo Fueki Solid state ionics, Kadansha, J.D.Cutnell, K.W.Johnson, Physics, Southern Illinois University at Carbondale, A.F. Orliukas Superjoniniai laidininkai, VUL, J.D.Cutnell, K.W.Johnson, Essentials of Physics,Southern Illinois University at Carbondale, V. Grivickas, A,F.Orliukas, A. Žindulis, S. Tamulevičius, Medžiagų mokslas, Progretus, Vilnius, 008.

7 Papildomos literatūros sąrašas Mokymo dėstymo metodai (Teaching methods) Lankomumo reikalavimai (Attendance requirements) Vertinimo būdas ir metodas (Assessment methods) Dėstomoji kalba (Language of instruction) 1. P. Brazdžiūnas Atomo fizika M.,V., A.Orliukas Kietojo kûno jonika /1 ir 11 dalys/, VU, Paskaitos, naudojantis demonstracijomis bei projekcine technika Ne mažiau 75% paskaitų Du kontroliniai darbai raštu, egzaminas raštu, patikslinimas žodžiu. Vertinimas-50% kontrolinių darbū vidurkis, 50% egzaminas. Lietuvių Aprobuota katedros Data Patvirtinta Studijų programos komiteto Data 007/008m.

8 Molekulių fizika Elektroninės būsenos atome yra nusakomos kvantiniais skaičiais: pagrindiniu skaičiumi n, orbitiniu skaičiumi l, magnetiniu orbitiniu m l ir magnetiniu sukininiu m s. Pagal Paulio principą kiekvienas elektronas nusakomas savuoju kvantiniu skaičių n, l, m l, m s rikiniu, kuris skiriasi nuo kito elektrono analogiško rinkinio. Bendras max elektroninių būsenų skačius esant pagrindiniam kvantiniam skaičiui n yra i max =n. n gali būti 1,,3,4,5,6,7. Apvalkalų simboliai yra: K, L, M, N, O, P, Q. Kiekviename apvalkale elektronai yra išsidėstę pogrupiuose: s, p, d, f. Max elektronų skaičius pogrupyje yra: i max = (l+1) l= 0, 1,, 3, 4,. i max =, 6, 10, 14, 18 Pogrupių simboliai reiškia: s(sharp), p (principal), d (diffuse), f (fundamental).

9 Atomai jungiasi į molekules. Atomų masė, išreikšta atominiais masės vienetais vadinama atomine mase. 1 a.m.v. 1, kg. Molekulės masė išreikšta a.m.v. vadinamas molekuline mase. Pav. N O: m 14 a.m.v a.m.v. 44 a.m.v. Medžiagos kiekis, kurio masė išreikšta gramais ir atitinka jos molekulinei arba atominei masei, vadinama medžiagos moliu. SI sistemoje, pvz., C kg/mol, O kg/mol. 1 mol yra N A 6, /mol dalelių tai Avogadro skaičius. Molekulės masė arba neutrono masė m n 1,6748 a.m.v, protono masė m p 1, kg 1,0073 a.m.v., elektrono m e 9, kg 5, a.m.v. Molekulių arba atomų skaičius molio masė n MN A M medžiagos masė M V - medžiagos tankis.

10 Termodinamikos dėsniai Fizikos dalis, nagrinėjanti šiluminius procesus ir kūnų šilumines savybes, neįskaitant medžiagos vidinės sandaros, vadinama termodinamika. Chaotinis dalelių judėjimas vadinamas šiluminiu judėjimu, o energija, kurią įgyja šios dalelės dėl tokio judėjimo, vadinama šilumine energija. Jeigu dalelės judėdamos apsikeičia vienodais energijos kiekiais, vadinama šilumine pusiausvyra. Jeigu kūnai savo vidinę energiją perduoda vienas kitam neatliekant mechaninio darbo yra vadinama šilumine apykaita. Šilumos kiekis, kurį gauna kūnas šiluminės apykaitos būdu naudojamas jo vidinės energijos pokyčiui bei mechaninio darbo atlikimui tai yra I-asis termodinamikos principas. Q U A ( darbas) vid. energija Iš čia plaukia ir antrasis termodinamikos principas, kuris sako, kad negalima sukurti amžinojo variklio. Šiluminė apykaita susijusi su šiluminiu laidumu. Šiluminio laidumo lygtis tokia: Q s t d Qd st m J m s deg W m deg čia: - šiluminio laidumo koeficientas, s plotas, per kurį vyksta šiluminė apykaita, - laikas, t temperatūrų skirtumas, d pernešamos medžiagos storis.

11 Svarbus parametras, kurio dėka nusakoma šilumos apykaita yra savitoji šiluminė talpa c Q mt kg J deg SI sistemos savituoju šilumos talpos vienetu laikoma tokia kūno šiluminė talpa, kurio 1 kg masės sugeria arba išspinduliuoja 1 J energiją, pakitus jo temperatūrai 1 deg. Jeigu sistemoje yra 4 kūnai, pvz., kūnai atiduoda tam tikrus šilumos kiekius Q 1 ir Q, o kiti kūnai gauna Q 3 ir Q 4 šilumos kiekius, tai Q 1 + Q Q 3 + Q 4, tai yra šilumos balanso lygtis. Šis šilumos kiekis priklauso nuo degiųjų medžiagų kaloringumo (arba savitosios degimo šilumos) Q m Q m ; J kg SI sistemoje kaloringumo vienetu laikomas toks medžiagos kaloringumas, kai pilnai sudegusios 1 kg medžiagos masė išskiria 1 J energiją. Taigi šie pagrindiniai sąryšiai ir nusako kūnų termodinaminę būseną.

12 Kietųjų kūnų savybės Deformacijos, kurios pilnai išnyksta išnykus kūnus veikiančioms jėgoms, vadinamos tampriosiomis deformacijomis. Plastinių deformacijų atveju jos išlieka nustojus veikti kūnus išorinėms jėgoms. Deformacijos gali būti spaudimo, tempimo, šlyties, sukimo, lenkimo. Deformacijos yra absoliučios ir santykinės. Absoliučios: l l l o Santykinės: l l o Atliekant deformaciją, kūnas priešinasi deformuojančiai jėgai. Ši savybė vadinama kūnų vidine įtampa. N m Esant spaudimo arba tempimo deformacijai l l, o tai E F s Jeigu. Tokiu būdu Jungo modulis rodo tokį medžiagos mechaninį tempimą, kai jos matmenys padidėja dvigubai. Pa E l E l o E Jungo mod ulis

13 Iš kitos pusės kūnai keičia savo matmenis juos šildant arba šaldant. Keičiasi jų linijiniai matmenys l l o Keičiasi jų ir tūris 1 t, l l o t - linijinio plėtimosi koeficientas. V V 1 t 3 0. Šildant kietas medžiagas iki tam tikros temperatūros jos lydosi. Medžiagų lydymasis nusakomas savitąja lydymosi šiluma q Q m J kg

14 Skysčių savybės Skysčiai yra charakterizuojami klampumu. Jų klampumo koeficientas Fl ; Pa s ; (1) Vs čia: l atstumas tarp sluoksnių skystyje, V sluoksnių judėjimo greičių skirtumas, s skysčio sluoksnių sąlyčio plotas, F trinties jėga tarp sluoksnių skystyje. Iš (1) gauname: Vs l Tai Niutono sąryšis. Stoksas eksperimentiškai nustatė, kad Skystis slegia į indo sieneles bei dugną F F 6RV P F s. () Pa. (3) Skysčio paviršius nusakomas paviršiaus įtempimo koeficientu = F/1, l paviršiaus kontūro ilgis, F paviršiaus įtempimo jėga R-rutuliuko radiusas, V-jo greitis skystyje

15 Skysčiai gali šlapinti kūnus arba jų nešlapinti. Jeigu skysčiai šlapina kūnus, gauname tokį vaizdą: Jeigu nešlapina gauname tokį vaizdą: Jeigu skystį talpinsime į plonus vamzdelius, gauname vaizdą: Tokiu atveju skysčio slėgis po menisku yra mažesnis negu išorėje atmosferos slėgis. Skystis plonuose vamzdeliuose kyla į viršų iki tol, kol susilygina slėgiai. Skysčio kilimo aukštis h cos gr

16 Dujų savybės Idealiosios dujos yra laikomos tokios, kai dujų molekulės yra vaizduojamos tam tikros masės rutuliukai tolygiai pasiskirstę visame tūryje ir sąveikauja tarp savęs tik jų susidūrimo metu. Realiosios dujos yra laikomos tokios dujos, tarp kurių molekulių veikia sąveikos jėgos. K 1 mv mv. Atsitrenkusios dalelės judėjimo kiekis tampa lygus.. (1) Jeigu dalelė per laiką juda greičiu, tai ji nulėks nuotolį r V. Čia r - laisvasis lėkio nuotolis, V K - laisvasis lėkio laikas. Indo tūris Vr l r SVS. Jeigu kiekviename tūrio elemente yra n o molekulių, tai visame tūryje turėsime nvn o. Didžiausia tikimybė šiuo atveju, kad dalelės pasieks kubo sieneles yra 1/6, tokiu būdu Iš (1) ir () sektų n 1 VS 6 n 0 () K K K mv mv mv K K 1 n 1 1 mv n0vs n0mv S 6 3. (3)

17 Iš mechanikos žinoma, kad. (4) Iš (3) ir (4) turime (5). Gaudami šiuos sąryšius daleidome, kad visi dujų molekulių greičiai yra vienodi. Tačiau gali būti jie ir skirtingi. Todėl praktiškai reikia vidurkinti. (6) Tokiu būdu (5) lygtis bus užrašoma taip: K F F K; F ; p, S p n 3V E K V V1 V... V n p 1 3 n 0 m V K S. (7) n tai p Padauginus ir padalijus dešinę lygties pusę iš gausime m V n 0 n (8) n 3 3 n 0 V čia. p 0 E K, (8) lygtis vadinama pagrindinė dujų kinetinės teorijos lygtimi arba Klauzijaus lygtimi. Kadangi, tai (8) lygtis atrodys taip: 1 p n0mv 3

18 Vieno molio atveju n N A, o tūris V V 0, tai (9) lygtis bus tokia pv 0 3 N A E K. (10) Čia sandauga N A E K U 0, tai yra molio idealiųjų dujų šiluminė energija pv 0 U 3 0. (11) Vieno molio tūris, esant slėgiui p 101 kpa bei t O 0 C V 0,410-3 m 3 /mol, tai iš (11) ,0110 Pa,4 10 m / mol U 0 pv J / mol Eksperimentu nustatyta, kad vienatomių idealiųjų dujų molinė šiluminė talpa, esant pastoviam tūriui c 1,4 J/moldeg, tai pakitus dujų temperatūrai 1 deg jų šiluminė energija pakis ir bus tai lygu: U U1 C t t1. (1).

19 Iš (1) lygties galime rasti temperatūrą t, kuriai esant dujų šiluminė energija taps lygi U 0, t.y. jeigu t C U J/mol. U U t 73,16 deg C 1,4. Pagal Kelviną ši temperatūra priimta atskaitos taškų temperatūrų skalėje ir yra vadinama absoliučiu nuliumi, o temperatūrų skalė, kurioje atskaitos taškas yra absoliutus nulis yra vadinama Kelvino skale. Temperatūrų Celsijaus ir Kelvino skalių sąsajos bus tokios:, (13) o vieno molio idealiųjų dujų šiluminė energija bet kokioje temperatūroje. (14) Farengeito ir Celsijaus skalių sąsajos tokios: t 0 C/100= (t 0 F-3)/180; t 0 C=5/9(t 0 F-3) Pažymėję. - universalioji dujų konstanta. Tokiu būdu T, K 0 t C (1) lygtį Kelvino skalėje užrašome taip: U U1 C T T1 R C 1,4 J / mol 3 3 U C T 3 K 8, 3 J molk 73 R pv 0 RT. (15)

20 (15) lygties abi puses padauginę iš molių skaičiaus, turėsime pv 0 RT;, tai. pv M RT M (16) (16) lygtis vadinama idealiųjų dujų būvio lygtimi arba Kleiperono-Mendelejevo lygtimi. Kadangi bendra masė n molekulių M mn, o vieno molio masė mn A, tai būdu (16) lygtį perrašome taip pv n N A RT M n / N A (17), tai tokiu Dydis R N A k,3 1, , J / K, k yra Bolcmano konstanta. Tokiu būdu (17) perrašome taip: pv knt. (18) Sulyginę (18) ir (8) lygtis turėsime: 3 E k kt. (19)

21 Čia visur buvo kalbama apie idealiąsias dujas, kurios yra viename ir tame pačiame būvyje. Tačiau, dujos esant tam tikroms sąlygoms gali keisti savo būvį. Tegul būvyje I dujos nusakomos M 1 p 1 V 1 ir T 1, o II būvyje M p V ir T. Sutinkamai su (16) turėsime p V p 1 1 V M M 1 RT 1 RT, (0) tai p V p 1 V 1 M T M 1 T 1 p V M T 1 p M V T. (1) Jeigu M 1 M, tai. p V 1 T 1 1 p T V Esant izoterminiam procesui, T 1 T turėsime p p 1 V V 1 () Šį dėsningumą nepriklausomai vienas nuo kito nustatė Boilis ir Mariotas.

22 Esant izochoriniam procesui, kai V 1 V p p 1 T T 1, (3) Šį dėsningumą nustatė Šarlis. Esant izobariniam procesui, kai p 1 p, tai. (4) 1 T1 V V T Šį dėsningumą nustatė Gei-Liusakas. Šio proceso metu atliekamas darbas A V pv p V 1. (5) m V Jeigu E, o n, tai arba (16) atrodys taip K 0m M pv M V M V M RT 1 V 3RT, čia. (6)

23 Dujose galimas ir toks procesas, kai šiluminė apykaita su aplinka nevyksta, toks procesas vadinamas adiabatiniu. Realiųjų dujų (garų) atveju tinka visi idealiųjų dujų dėsningumai, jeigu realiosios dujos yra žemuose slėgiuose ir aukštose temperatūrose. Kalbant pvz. apie H O garų kiekį, pvz., atmosferoje naudotinos absoliučios bei santykinės drėgmės sąvokos. H O garų kiekis vienetiniame oro m tūryje vad. absoliučia drėgme. Ji matuojama V, čia m garų masė, V tūris. Temperatūra, kuriai esant H O garai atmosferoje tampa sotinantys, vad. rasos tašku. Vandens garų kiekis tūrio vienete oro, esant jų sočiai (rasos taškui) vad. max. oro drėgme 0. Sotį galime pasiekti būdais: didindami garų tankį ties T=const arba žeminant T garų, laikant pastovųjį. Santykinė oro drėgme 100%. Drėgmė matuojama psichrometrais. Kalbant apie atmosferą svarbu žinoti, koks oro molekulių skaičius supančios Žemę jos atmosferos vienetiniame tūryje. Tai surandame taip: 0 n N V A 3 6,0 10 1/ mol 5 3, m 3 mol,7 10 m Siurbiant oro molekules iš tam tikros talpos vad. tos talpos vakuumavimu. Dabar skiriamos trys vakuumavimo pakopos: p Pa žemas vakuumas p Pa vidutinis Vakuumas p Pa aukštasis (gibusis vakuumas). Laboratorinėmis sąlygomis galima pasiekti vakuumus iki Pa. Absoliučiu vakuumu vad. toks, kai talpoje absoliučiai nėra nei vienos dalelės.

24 ELEKTROS SROVĖS NEŠĖJŲ METALUOSE PRIGIMTIS Pirmasis jau 1901 m. elektros srovės nešėjų metaluose prigimtį bandė eksperimentiškai nustatyti Rikke. Jis sujungė strypus, taip kaip parodyta 1pav. ir leido jais tekėti visus metus nuolatinę srovę. Cu Al Cu 1 pav. Per šį laiką pratekėjo C krūvis, tačiau nei svoris strypų, nei sąlyčio taškai nepakito. Rikke padarė išvadą, kad medžiagos atomai metaluose srovės pernešimo procesuose nedalyvauja, o gali būti čia elektronai, kuriuos pirmą kartą jau 1897 m. atrado Tomsonas.

25 Norint tuo įsitikinti, reikėjo išmatuoti elektronų ženklą bei savitąjį krūvį. Buvo sumanytas eksperimentas, kurio idėja remėsi tuo, kad jeigu krūvio nešėjai metaluose yra elektronai, tai privertus judėti strypą tam tikru greičiu ir vėl jį stabdant turi atsirasti, dėl neigiamo pagreičio strype, srovės impulsas. Beje, tokį elektros krūvių pagreitį nejudančiame metalo cilindre galime sudaryti patalpinus laidininką į elektrinį lauką E tai yra prie jo galų prijungti įtampą ma per stabdymo laiką strypu prajudės krūvis q U U le; I R lma dq Idt dt er, ml er dv V-greitis q t 0 dq 0 v ml. dv er ml e V R Pirmieji tokį bandymą atliko 1913 m. Mandelštanas ir Papaleksi.

26 1916 m. Tomsonas ir Stiurtas 500 m ritele įsukę 300 m/s linijiniu greičiu stabdė ir q paskaičiavo savitąjį krūvį. Jie gavo šį santykį, eksperimento paklaidų m C leistinuose rėmuose, artimą elektrono savitąjam krūviui, t.y Elektronų skaičių tūrio vienete skaičiuojame taip N A (čia - medžiagos tankis, - kilomolio masė, N A - Avogadro sk.). Pvz., kalio kg C / kg 0 kmol / m 3, N A n m 3.

27 Klasikinė metalų laidumo teorija buvo pateikta Drudės, vėliau tikslinta Lorenco. Padal Drudę vidutinis elektronų greitis metaluose gali būti išreikštas lygtimi: 8kT V, m taigi T=300 K temperatūroje V m / s. Jeigu talpiname metalą į elektrinį lauką, tai be chaotinio judėjimo greičio V atsiranda ir tvarkingas greitis <U>. Kadangi elektronai metaluose yra nuolatiniame judėjime, tai jų laisvojo lėkio laikas V qe u mv ( - vidutinis laisvasis lėkis), j=nq<u>; <u max >=qe/m; <u>=1/<u max >=qe/mv; j=nq E/mv E k tai jo vidutinė kinetinė energija. m u q mv E σ =nq /mv j=σe

28 Tokiu būdu, elektronai susidurdami su gardelės jonais, atiduoda E k energiją gardelei. Kadangi kiekvienas elektronas per sekundę vidutiniškai turi E k energiją, tai kiekvienu momentu atidavus E k energiją gardelei yra šildoma medžiagą. Tokiu būdu tūrio vienete per laiko vienetą išsiskiria šiluma dq dt n 1 dl R : ds Q t dt 0 V j E k dq dt dv Pastarioji matematinė išreiška atitinka Džaulio-Lenco dėsnį. nq E mv dl ds Ids RI j dv

29 Metalai yra ne tik geri elektros, bet ir šilumos laidininkai. Jau 1853 m. Videmanas ir Francas nustatė Al šiluminio laidumo koeficientą : C v k ; m = nmvc /3; tai 3 R 3 1 nkv Beje, kmv q ; mv 3 kt, tai 3 k q T. Kadangi nq mv tai įstatę reikšmes gausime T. Metalų kiloatomo savitoji šiluma C V =9R/; čia R =8, J/kmol.K (dujų pastovioji).

30 Laidininkai elektriniame lauke Šiek tiek apie ekranavimą: E 0 viduje, const, E En 0 ; - paviršinio krūvio tankis. V u V u u Srovės stipris dq (1) jeigu yra ir p ir n krūvininkai, tai dq () dq I I dt dt dt Srovės tankis j di ds I (3). (4) 5) j e n u e n u s jds 9 Pvz., j tankis Cu yra 7, tai u 10 j 10 A m = m/s Įvedus + n + e + ; - n - e - ; turėsime SI sistemoje matuojama I[A] - Ampero apibrėžimas seka iš magnetizmo skyriaus. j u u q n q n : u E ; u E; j E

31 Lygtis jds Nenutrūkstamumo lygtis rodo krūvių ištaką iš tūrio V, kuris ribotas plotu S, per laiko vienetą. Kita vertus, ši lygtis rodo krūvių mažėjimo greitį iš tūrio V: jds Dydis q=en, tai d q. 1) dv ir jds dv dt V S V Čia reikia imti dalinė įvestinė, nes priklauso nuo laiko ir koordinačių. Pagal Ostrogradskio-Gauso formulę v jdv dv t v S dq. dt ) arba j t (3) Ši lygtis yra vadinama nenutrūkstamumo lygtimi ir išreiškia krūvių tvermės dėsnį. s EdS v EdV

32 PUSLAIDININKIAI IR DIELEKTRIKAI ELEKTRINIAME LAUKE remdamasis Paulio draudimo principu, W F - Fermio lygmuo, E g -draustinės juostos plotis. Šio modelio remuose laikoma, kad valentinė juosta (V.J.) užpildyta elektronais, kurie gali pereiti į laidumo juostą (L.J.) Savasis laidumas reiškiasi, kai elektronai iš V.J. pereina į L.J. Laisvasis nuo elektronų vietos V.J. yra vad. elektroninėmis skylutėmis. Kalbant apie puslaidininkių laidumą, yra skiriamos dvi jo rūšys: n ir p, kurios savo ruožtu skirstomos į savąjį ir priemaišinį laidumus. Aiškinant puslaidininkių laidumą naudojantis juostiniu modeliu, yra vaizduojama tai taip(1pav): W L.J W F E g F(W) V.J 1 pav. Čia F 1 W e E g W F / kt 1 e E g / 1 kt 1 užrašė Fermis, (1) elektronų būsenų pasiskirstymo funkcija, kurią

33 Kadangi tokiuose puslaidininkiuose E g W savasis puslaidininkių F E g, tai remiantis (1) formule laidumas išreiškiamas taip: E g kt 0e. Šio laidumo temperatūrinė log, S/m priklausomybė parodyta pav. pav. 1/T,K -1 Klasikiniai puslaidininkiai yra elementų periodinės lentelės IV grupės elementai (Ge, Si, Sn, Pb, Ti, Zr ir kt.).

34 Kristalinėse gardelėse tarp atomų dominuoja kovalentiniai ryšiai. Kiekvienas atomas, būdamas keturių kaimynų apsuptyje (kaip tai parodyta 3pav.) rišamas elektronų poromis. Si 3 pav. Pasišalinęs ir ryšio elektronas kuria toje vietoje perteklinį + krūvį susidaro skylutė, kuri irgi pradeda judėti, o susidūrus su elektronu rekombinuoja. Vėl atsiranda naujasis laisvasis elektronas, kai jis įgauna papildomos energijas (ar tai kt, ar gardelės virpesių) išsilaisvinimui. Juostiniame modelyje rekombinacija reikštų elektronų perėjimą iš LJ į laisvąjį VJ lygmenį. Kiek skylučių, tiek ir elektronų tankis didėjant temperatūrai eksponentiškai didėja. Kai nėra elektrinio lauko n ir p krūviai juda chaotiškai, esant laukui jų judėjimas tampa kryptingu.

35 Priemaišinis laidumas Implantavus į Ge gardelę penkiavalentį P atomą, atsiranda laisvasis e - ir puslaidininkis tampa n tipo, o implantavus į Si gardelę trivalentį B atomą, atsiranda laisvoji skylutė p ir puslaidininkis tampa p tipo (3a,b pav.) Ge P Si B

36 Priemaišiniai atomai E g juostoje sudaro donorinius lygmenis (žiūr.4 pav). Tokio priemaišinio puslaidininkio laidumo temperatūrinė priklausomybė parodyta 5 pav. W L.J E D W F E g F(W) V.J 4 pav. log, S/m E g kt 0e -savasis laidumas 0 e E D kt - priemaišinis laidumas 5 pav. 1/T,K -1

37 Jeigu į Si gardelę įvesime Boro (B) atomus. Tai trivalenčio B trijų elektronų B nepakanka sudaryti kovalentinių ryšių su keturiais Si kaimynais, t.y. vienas ryšių liks nesotintas ir sudarys vietą elektrono pagavimui. Pereinant elektronui į šią energinę vietą, liks laisva elektroninė skylutė, kuri judės tarp gardelės atomų. Toks laidumas yra p, o priemaišiniai B atomai sudaro akceptorinius lygmenis. Tokio priemaišinio puslaidininkio juostinis modelis parodytas 6 pav. W L.J E A E g W F F(W) V.J 6 pav. Tokio priemaišinio puslaidininkio laidumo temperatūrinė priklausomybė yra analogiška, kaip pavaizduota 5 pav. tik priemaišinėje laidumo srityje laidumo eksponentinėje priklausomybėje vietoj energijos E D irašomas E A dydis. Dielektrikų laidumas yra aiškinamas analogiškai, kaip ir puslaidininkių, tačiau jų. E E diel g pusl

38 Metalų atveju, jų laidumas aiškinamą elektronų pasikeitimą lygmeninis valentinėje zonoje (kaip tai parodyta 7 pav.). Laisvoji juosta Laidumo juosta 7 pav. T Didėjant T metalų savitoji varža.

39 Dielektrikai elektriniame lauke Patalpinus medžiagas į elektrinį lauką, jose krūvininkai pradeda judėti kryptingai. Dielektrikai, paprastai yra joninio ryšio kristalinės medžiagos. Jonų elektroninės orbitos yra uždaros ir jų elektrinis n, p laidumus gali sąlygoti priemaišos, kurias dalinai sutrikdo šių orbitų uždarumą. Joniniai kristalai gali būti nepoliniai arba poliniai. Poliniai vadinami tada, kai kristalinė gardelė neturi simetrijos centro. Patalpinus tokius kristalus į elektrinį lauką molekulės, kurios vaizduojamos lygtai dipoliai, pvz., Na + Cl - stengiasi išdėstyti lauko kryptimi. Tai atrodo taip kaip parodyta 8 a,b pav. E E 8 a pav. nepoliniai dielektrikai 8 b pav. Poliniai dielektrikai Toks molekulių išsidėstymas E krypties atžvilgiu vad. poliarizacija.

40 Elektriniame lauke nepoliniuose dielektrikuose poliarizacijos vektoriaus kryptis ir E kryptis sutampa, tuo tarpu nepoliniouose dielektrikuose net nesant elektrinio lauko jie jau yra poliarizuoti. Pi V P P vad. poliarizacijos vektoriumi Pi dipolinismomentas V V dielektriko turis dielektrinis ' 1 jautris P= o E Elektrinės indukcijos vektorius D E P E E 1 E Arba D 0 E 0 E Nepolinių dielektrikų 10, polinių, tokių kaip feroelektrikai

41 p ir n sandūra Visos minėtosios medžiagos (metalai, puslaidininkiai, dielektrikai) vienaip arba kitaip plačiai naudojami visose mūsų gyvenimo srityse. Radiotechnikoje, elektronikoje plačiai naudojama p ir n puslaidininkių sandūros. p ir n sandūra gaminama paprasčiausiu atveju taip: imamas n-ge monokristalas ir inertinių dujų atmosferoje arba vakuume į jį implantuojamas In atomas. In atomas difunduoja į Ge. Tokiame gylyje iki, kurio difunduoja In, Ge tampa skyliniu (p-ge). Riboje turime p-n sandūrą (žiūr. 9 pav.). p- In n- Ge 9 pav. Struktūrinis p ir n sandūros atvaizdavimas

42 In atomai sudaro akceptorinius lygmenis. Akceptorinių ir donorinių priemaišų pasiskirstymas p ir n sandurų aplinkoje parodyta 10 pav. A p ir n sandūra D Priemaišų tankis 10 pav. Koordinate x

43 Wp p n We x1 x x3 + +

44 W L.J. Akceptoriai W F Donoriai 11 pav. V.J. x P ir n sandūros juostinis modelis parodytas 11 pav. Paprasčiausia p-n sandūra yra naudojama konstruojant puslaidininkinių diodus (detektorius). Diodai naudojami kintamajai elektros srovei lyginti.

45 . Medžiagos magnetiniame lauke I V p V m ; I æh Magnetinis jautris æ ka, æ km 3 m / kmol Savitasis, æ s 1 3 æ čia kg / m B B H - I 0 0 B H 1 - æh; æ H B 0 0 B 0 H æh

46 1 H 0 æ; B a 1 æ ; 0 ; H n / m. Fe , 5 supermalojus 8 10 Diamagnetikai æ km ~ m / kmol æ æ km km ~ 10 ~ m / kmol 3 m / kmol

47 Paramagnetikai Jeigu medžiagų atomų magnetinis momentas paramagnetikus. 0 turime C Pagal Kiuri, paramagnetikų magnetinis jautris æ kmol. T 1905 Lanževenas paskelbė klasikinę paramagnetikų teoriją. Atomas lauke B įgyja energiją W pbcos 1) B yra kampas tarp p m ir. Įmagnetėjimas ). 1 L(a) klasikinė Lanževeno funkcija La ctha 3 ) a a 0 p m kt H P m I 3 4) p m 10 J m / Wb n 0 p m L a

48 Kai p m kt æ, tai L(a)a/3, tai kmol n 0 p m 3kT 0 I H I n0 pm0 3kT 6) H 5) a 1 Kai H kt, L tai n p 7) p m I 0 m Metaluose æ kmol 3n 0 B W F 0 8) Čia n o -elektronų tankis 3 B J / T Boro magnetonas, W F -Fermio lygmuo e 1,6 10 C; 1, J s; m 9,1 10 B 31 kg e m

49 Diamagnetikai Normaliose sąlygose jų p 0, tačiau papildomai B laukų m atomų p m elektriniuose apvalkaluose galima indukuoti. æ kmol n 0 B W F 0

50 Electrolysis (electric power Chemical species Secondary (rechargeable) battery-electric power Primary or full cellelectric power Electric signal Chemical state changes light Colorationelectrochromic display (ECD) mass Electric powerphoto cell Electric signal-chemical sensors Electrochemical devices agree T. Kudo, K. Fueki, SSI, 1990

51 1833 Faraday's Law 1897 ZrO glower (Nernst) 190 High ionic conduction in -AgI 1933 Diffusion theory of lattice defects 1934 Ion transport mechanism for -AgI 1943 Ionic conduction theory for ZrO 196 High temperature fuel cell using ZrO Future prospects of SSI Neuron fiber Bio-computer system alumina, Rb Ag 4 I Electro-chromism in WO Electric double-layer capacitors (ionistor) 1970 Electrochemical memory devices 197 Solid state Li battery, memoriode 1976 NASICON secondary battery using TiS intercalation 1979 High Cu + conductor Organic polymer solid-electrolyte 1981 Plastic battery 1983 Commercial ECD

52

53 YSZ

54 T=450K T=53K fazė-monoklininė (P /n ) fazė-rombinė (P can ) fazė -metastabili a) -Li 3 Fe (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane, b) oxygen window in phase on the (001) plane, c) - Li 3 Fe (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane

55 (UO PO 4 ) n -H + ryðiai -PO 4 kompleksai -H 3 O + -H O HUP structure

56 Ag a x c z b y J AgJ structure

57 AgJ lattice

58 In the lattice of -AgI are d-1, b-6 and h-4 energy positions for diffusion of Ag ions.

59 Ideal lattice Point Frenkel type defects

60 The energy relief of of ions in the lattice with the point Frenkel type defects

61

62 N -j.tarpmazgiuose; N-j.mazguose; P 1 -j.pasiskirstimo tikimybe; P -vakansiju pasiskirstymo tikimybe; S F =Q/T; H F =U+pV. N N j -concentration of ions N v -concentration of vacancies N F -concentr.of p.frenkel def. F-free energy of lattice G F -Gibbs energy S-entrophy H F -enthalpy P 1,P -probabilities

63 Point Schottky-type defects

64 F-free energy of the lattice N š -concentr. of p.schottky defects N-concentration of the ions inttice T-temperature P-probability G š -Gibbs energy

65 YSZ

66

67 Commercial YSZ, GDC and SDC powder with different surface area S BET from company Fuel Cell Materials were used for the sintering of the ceramics. The powder was uniaxially cold-pressed at 150 MPa. The sintering of the ceramic samples was conducted in air at temperature T = 1773 K. The sintering duration of the ceramics was 1 h. The composition, S BET of the powder and relative density of the ceramics are presented in Table

68 YSZ, GDC, SDC composition, S BET of the powder theoretical and relative densities of the ceramics. Composition S BET, m /g D theoretical, g/cm 3 d, % Gd 0. Ce 0.8 O [3] 95.0 Sm 0. Ce 0.8 O [1] 94.0 Sm 0.15 Ce 0.85 O d [5] 94.0 Sm 0.15 Ce 0.85 O Sm 0.15 Ce 0.85 O Gd 0.1 Ce 0.9 O [] 97.0 Gd 0.1 Ce 0.9 O d mol% ZrO 8 mol%y O [4] mol% ZrO 8 mol%y O H.B.Li et al.acta Mater.54(006)71;. K.Huang et al.j.amer.ceram.soc.81(1998)357;3.g.chiadeli et al.sol.state Ioncs, 176(005)1505; 4. H.Liu et al.mat. And Design, 31(010)97; 5. C.Jiang et al. Power Sources, 165(007)134.

69 a) b) SEM images of Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 ceramics sintered from powder with S BET = m /g (a) and S BET = 6.44 m /g (b)

70 tot, S/m SDC, S BET =03m /g, E tot =0.83eV 15SDC, S BET =8m /g, E tot =1.19eV 10GDC, S BET =6.44m /g, E tot =1.eV 0GDC, S BET =0m /g, E tot =1.1eV 8YSZ, S BET =1.67m /g, E tot =0.98eV 8YSZ, S BET =1.4m /g, E tot =1.03eV /T, K

71 ZrO - xmoly O 3 cheminės sudėties tyrimo rezultatai Priemaišos () Mol Fe O 3 SiO Al O 3 MgO TiO CaO Cl Y O < < < < < <0.01 < < < <0.01 < <

72 a) -Li 3 Fe (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane, b) oxygen window in phase on the (001) plane, c) - Li 3 Fe (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane

73 T= K - T=416-4K -

74 10 3 Al, b T, SK/m Fe 0.30eV 0.31eV 10 Y Sc, 0.19eV eV /T,K Temperature dependences of b of Li 1+x M x Ti -x (PO 4 ) 3 solid electrolyte ceramics (where M=Sc, Al, Fe, Y; x=0.3) -1

75 Uc Katodas Oras d YSZ U Elektrodai L Kuras Anodas U R U A Kietojo elektrolito kuro elemento struktūrinė schema

76

77

78 Šiluminė izoliacija Kuro įvedimo anga H O garų išėjimo kanalo išorinė sienelė Oro įvedimoanga SOFC tuščiaviduriai cilindrai HO garų išėjimo kanalas Vėsinimo kanalas Vidinė izoliacija Cilindrinės formos SOFC modulis

79 U, V W, mw/cm j, ma/cm Storasluoksnio SOFC U j W charakteristikos

80 5kW SOFC modulis pagal S.P.S. Badwal ir K. Foger

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97 Pagrindiniai atomo ir branduolio fizikos dėsningumai ir jų sąryšiai Medžiagos atomą sudaro branduolys ir aplink branduolį apskritiminėmis orbitomis juda elektronai. Šios orbitos nėra panašios į Saulės sistemos planetų judėjimo trajektorijas. Elektroninės orbitos yra geometrinė vieta taškų, kuriose galima tikėtis aptikti elektroną. Orbitos radiusas - tai atstumas nuo atomo branduolio, kuriame su max tikimybe gali būti elektronas. Sutinkamai su kvantine teorija, medžiagos atomai sugeria ir išspinduliuoja energiją kvantais. Tai 1913 m. traktavo Nilsas Boras. Jo idėjos pateikiamos trim postulatais: 1-asis postulatas vadinamas stacionariųjų būsenų taisyklė. Visų medžiagų atomai gali būti ypatingose stacionariose būsenose ir kiekviena būsena yra nusakoma energija 1,,, n. Šios energinės būsenos yra leistinos. Tarpinės būsenos tarp energijų 1 ir, 3 ir 4 ir t.t. yra draustinės. -asis postulatas vadinamas orbitų kvantavimo taisyklė. Elektronai apie branduolius juda stacionariomis orbitomis, kurių judėjimo kiekio mv ir orbitos ilgio sandauga mv nh arba mv n (n yra sveikas skaičius (n0) vadinamas kvantiniu skaičiumi). 3-asis postulatas vadinamas dažnių taisyklė. Visų medžiagų atomai spinduliuoja ir sugeria energiją kvantais (fotonais) pereinant jiems iš vienos stacionarios į kitą būseną h n m.

98 Boro teorija leidžia gana tiksliai nustatyti orbitų spindulius ir elektronų energiją, kurie juda branduolio elektriniame lauke, kurio krūvis ze. Kai z1, turime H atomą, o jo r1 0, pirmosios orbitos. m Visų kitų orbitų spinduliai r n r n 1 z. (1) r 4r 1, r 3 9r 1, r 4 16r 1.

99 Tokiu būdu, elektronas H atome gali būti trijose orbitose, kurių spinduliai sudaro santykį lygų natūrinių skaičių eilės kvadratams. Elektronas, judėdamas apie branduolį, turi kinetinę ir potencinę energiją. Pilnoji atomo energija z E E 0 n čia (-) ženklas reiškia, kad norint pašalinti elektroną iš atomo reikia atlikti darbą prieš branduolio jėgas. E 0 - minimali elektrono energija, kai jis yra arčiausiai branduolio. Z ir E 0 tam tikram branduoliui yra konstantos. Šiuo atveju E(n) ir čia n vadinamas pagrindiniu kvantiniu skaičiumi. Kai n1 - atomas turi min. energiją ir yra su E 1-13,5 ev normalioje būsenoje. Kai n, 3, 4, E -3,38, E 3-1,51 ir E 4-0,85 ev. Tai reiškia, norint atomui pereiti iš pirmos stacionarios būsenos į antrąją, jis turi sugerti energiją E 1 E -E 1-3,38-(-13,53)10,15 ev. Jeigu suteiktoji energija mažesnė negu 10,15 ev, tai atomas aplamai nesugeria energijos. Jeigu atomui suteikti energiją E>13,5 ev, tai elektronas palieka atomą ir išeina iš jo. ()

100 Sugėręs kvantą energijos atomas negali būti sužadintoje būsenoje. Maždaug po 10-8 s atomas iš sužadintosios būsenos pereina į normaliąją. Šio perėjimo metu išspinduliuojama energija, kuri nusakoma trečiuoju Boro postulatu: hc E Iš spektrų, galime nustatyti medžiagų atomų rūšį..

101 Rezerfordas nustatė, kad atomų branduolių geometriniai matmenys apie 10 4 kartų mažesni už atomų. Empiriškai nustatyta, kad branduolio A-branduolio masė (A=Z+N). d 3,8 A m Atomo branduolys, kaip ir elektrinės orbitos, nėra griežtai geometriškai apibrėžti. Tiksliai matuojant branduolių mases, paaiškėjo, kad tų pačių atomų branduoliai gali turėti skirtingas mases. Tai reiškia, kad branduoliai turi tą patį skaičių protonų ir skirtingus skaičius neutronų. Tokie atomai, kurių branduoliai turi tuos pačius krūvius, bet skirtingas mases vadinami izotopais. Vidutiniškai kiekvienas atomas turi 3 stabilius izotopus (užuraniniai- daugiau ). Dabar yra žinoma apie 300 stabilių ir 800 nestabilių izotopų.

102 To paties atomo izotopai pasižymi tomis pačiomis cheminėmis savybėmis. Pvz., vandenilio izotopai: H H H arba arba arba P D T A 1 A A 3 tritis. protis deiteris Gamtiniai cheminiai junginiai dažniausiai yra izotopų rinkinys (pvz., 9U ir 9U ), todėl a.m.v. nėra sveikas skaičius. Nuklonai branduolyje yra diskretiniuose (energiniuose) lygmenyse, kuriam charakteringas griežtas energinis dydis. Pereinant atomo branduoliui iš vieno energinio lygmens į kitą, išspinduliuojami fotonai (gama kvantai) arba -spinduliavimas. Jeigu branduolys turi Z protonų, masės mp ir N neutronų mases mn, tai branduolio masė M Z mp N mn. (1)

103 Pvz., He branduolys ZN, tai Mmp+mn1,0078 a.m.v. 1,008544,03164 a.m.v. Tačiau realiai matuojant He branduolio masę, pasirodo, kad ji yra 0,0308 a.m.v. mažesnė, negu teoriškai apskaičiuota vertė. Tai paaiškina reliatyvumo teorija. Susidarant branduoliui dalis nuklonų kinetinės energijos išspinduliuojama elektromagnetinėmis bangomis ; E mc m yra masės defektas. Nuklonai branduolyje yra surišti branduolinėmis jėgomis. Energijos kiekis, kuris reikalingas tam,kad išskirti nuklonus, nesuteikiant jiems kinetinės energijos, vadinama branduolio ryšio energija. Branduolinės energijos yra pačios didžiausios energijos lig šiolei žinomos gamtoje. Analogiškų dydžių yra branduolių sintezės energijos. Vienų atomų branduoliai savaime skyla, kitų - būna stabilūs.

104 Apie branduolių stabilumą galima spręsti iš jų savitosios nuklonų ryšio energijos: W 931,8 m Z N () kadangi visos sintezės reakcijos vyksta aukštoje temperatūroje, jos vadinamos termobranduolinėmis reakcijomis. Branduolių skilimo bei sintezės procesai naudojami atominių (branduolių) bei termobranduolinių bombų gamyboje. Vykstant branduolių skilimui skylantys cheminiai elementai irgi virsta kitais. Skilimo pasekoje pasireiškia radioaktyvumas, kuris nusakomas: 1) - skilimu, ) - skilimu, 3) - spinduliavimu, 4) savaiminiu branduolių skilimu, 5) protoniniu radioaktyvumu. Jeigu radioaktyvumas reiškiasi dėl savaiminio skilimo, jis vadinamas natūraliu radioaktyvumu, o jeigu dirbtinai sukuriamas - dirbtiniu.

105 Branduolių skilimas nusakomas tokia lygtimi N N 0 exp t, (3) čia - skilimo pastovioji. Laikas, per kurį skyla pusė branduolių vadinamas skilimo pusperiodis ir (3) perrašome taip: 1/ N 0 N 0 exp t čia T ln 0,693 (4) Radioaktyviojo branduolio gyvavimo trukmė 1. (5)

106 - skilimas - tai - spinduliai, atsiradę skylant branduoliams. Reakcija A Z X A Z Y He; 9U 90Th 4 He - dalelių greičiai 10 7 ms -1, greitai slopsta.

107 Žinomi -, + bei elektroninis pagavimas - - skilimas: z A X Z+1 A Y + 0 e 1 ~ ( - antineutrinas). Dukterinis branduolys turi eilės Nr. vienetu aukštesnį negu motininis branduolis, nors masės skaičiai A vienodi. Pvz.. 34 Th Pa 91 e 1 ~ (Pa - prataktinis)

108 + - (arba pozitroninis skilimas) A Z X ( - neutrinas ) A Z Y 1e ; 7N 6 C 1e Elektroninis pagavimas: A Z X K e e A Z Y Ar - spinduliavimas - tai elektromagnetinės bangos.

109 Savaiminis branduolių skilimas buvo stebimas apie 1940 m., kai radioaktyviųjų elementų branduoliai skyla per pusę savaime bombarduojant juos neutromais (n) T min utes 3 T 7 paros 33 9 Th n Th Ac U Tai yra grandininė reakcija. Čia izotopas, kurio nėra gamtoje, jam būdingas -skilimas m. pirmą kartą pastebėtas branduolių skilimas, kai jo metu atsiranda vienas arba du protonai. Radioaktyvių medžiagų aktyvumas matuojamas Kiuri [C], tai 10 3,7 10 Kitas vienetas yra Rezerfordas [Rd], tai 33 9U ski limu s 1mC37Rd. 6 1,0010 ski limu s

110 Spinduliuotës dalis, kurià sugeria m masës kûnas, vad. doze: D E / m J / kg Skylant atomø branduliams, atsiranda radioaktyvusis spinduliavimas. Skilimas vyksta grandininiø reakcijø išdavose: pvaz., 9 93 U Np Np Pu e 1 0 e 0 3 min. 4 d. Gali bûti ir toks atvejis: U 0n 54Xe 38Sr 0 54 Xe Cs Ba n La 1 139

111 Jeigu skilimas vyksta veikiant branduolius dalelėmis, tuomet turime tokias grandinines reakcijas: U He 94 Pu 0n, beje, 94 Pu 39 He 4 96 Cm 4 0 n 1 94 Pu Am 41 1 e 0 Čia: U uranas Xe ksenonas Np neptunijus Pu plutonis Am americis Cm Kiuris