ciało stałe
 
Encyklopedia PWN
substancja w tym stanie ma w ustalonych warunkach określony kształt i objętość, a poddana działaniu niewielkich sił zewnętrznych (mniejszych od granicy sprężystości ciała stałego) nie odkształca się trwale; z tymi właściwościami wiąże się też mała ściśliwość ciał stałych. Rozróżnia się krystaliczne i bezpostaciowe ciała stałe.
Ciała stałe krystaliczne. Ciała krystaliczne dzieli się, ze względu na charakter wiązań chemicznych łączących atomy (cząsteczki, jony), na: metale, kryształy kowalencyjne, kryształy jonowe i kryształy molekularne. Każdej substancji tworzącej krystaliczne ciało stałe odpowiada na ogół określona struktura krystaliczna, niektóre substancje mają jednak kilka odmian różniących się strukturą (polimorfizm).
Atomy (cząsteczki, jony) drgają wokół swoich położeń równowagi w sieci krystalicznej; drgania poszczególnych atomów są ze sobą sprzężone i mogą być traktowane jak fale sprężyste rozchodzące się w ciele stałym. Ze wzrostem temperatury rośnie amplituda drgań i przy pewnej charakterystycznej dla danego ciała krystalicznego temperaturze (temperaturze topnienia) następuje zerwanie wiązań chemicznych i przechodzi ono w stan ciekły.
Właściwości elektryczne krystalicznych ciał stałych opisuje pasmowa teoria ciał stałych. Podczas tworzenia się kryształu ze swobodnych atomów ich poziomy energetyczne rozszczepiają się tworząc pasma poziomów blisko siebie leżących; rozróżnia się pasmo walencyjne (najwyższe pasmo całkowicie lub częściowo wypełnione elektronami) i pasmo przewodnictwa (kolejne wyższe pasmo całkowicie lub prawie całkowicie puste), oddzielone zwykle od siebie pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną), tj. obszarem energii zabronionej dla elektronu poruszającego się w krysztale; w niecałkowicie zapełnionym pasmie pole elektryczne może powodować przeniesienie elektronu na sąsiedni poziom energetyczny, tj. wywołać przepływ prądu elektrycznego, w całkowicie zapełnionym pasmie natomiast nie może ono zmieniać ani położenia, ani pędu elektronu. Ze względu na wzajemne położenie pasm i szerokość przerwy energetycznej ciała stałe dzieli się na metale, półprzewodniki i dielektryki. W metalach pasmo walencyjne jest albo niecałkowicie zapełnione elektronami (jest wówczas pasmem przewodnictwa), albo częściowo nakłada się z pasmem przewodnictwa; metale są zatem dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Niektóre metale (np. ołów Pb, cyna Sn) w bardzo niskich temperaturach (bliskich 0 K) wykazują nadprzewodnictwo — ich opór elektryczny staje się niemierzalnie mały. W półprzewodnikach i dielektrykach w temperaturze 0 K całkowicie wypełnione pasmo walencyjne jest oddzielone od pasma przewodnictwa przerwą energetyczną. W półprzewodnikach (zazwyczaj kryształach kowalencyjnych) przerwa ta jest wąska (zwykle mniejsza od 3 eV), co sprawia, że w niskich temperaturach praktycznie nie przewodzą one prądu elektrycznego, ale już w temperaturze pokojowej pewna liczba elektronów ma wystarczającą energię, aby przejść do pasma przewodnictwa, przy czym liczba przechodzących elektronów, a więc przewodnictwo elektryczne, wzrasta ze wzrostem temperatury; wzrost przewodnictwa może być również wywołany obecnością w półprzewodniku domieszek obcych atomów, które łatwo ulegają jonizacji oddając elektron do pasma przewodnictwa (donor) lub chętnie przyłączają elektron wychwytując go z pasma walencyjnego (akceptor) i pozostawiając tam dziurę biorącą udział w przewodzeniu prądu. W dielektrykach (zazwyczaj kryształach jonowych lub molekularnych) przerwa energetyczna jest duża (zwykle większa od 3 eV) w porównaniu z energią, jaką mogą uzyskać elektrony w wyniku wzbudzenia termicznego, co uniemożliwia im przechodzenie do pasma przewodnictwa; przewodnictwo elektryczne dielektryków jest zatem bardzo małe — są one izolatorami.
Pod względem właściwości magnetycznych zalicza się ciała stałe do diamagnetyków, paramagnetyków, ferromagnetyków, antyferromagnetyków lub ferrimagnetyków. Zjawiska diamagnetyzmu i paramagnetyzmu, ujawniające się w ciałach pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, są związane z właściwościami magnetycznymi pojedynczych atomów; diamagnetyzm, dotyczący wszystkich substancji, jest wynikiem indukowania (przez pole magnetyczne) momentów magnetycznych związanych z ruchem orbitalnym elektronów w atomach; paramagnetyzm ciał jest wywołany występowaniem w nich atomów (o częściowo wypełnionych powłokach elektronowych), mających trwałe momenty magnetyczne pochodzące od spinów elektronów. Zjawiska ferromagnetyzmu, antyferromagnetyzmu i ferrimagnetyzmu występują tylko w ciałach stałych i są powodowane wzajemnym oddziaływaniem elektronów niewypełnionych powłok elektronowych (zwykle powłok d lub f) atomów sąsiadujących ze sobą w strukturze ciała stałego; oddziaływanie to prowadzi do powstania uporządkowania magnetycznego — w pewnych obszarach ciała stałego (tzw. domenach) momenty magnetyczne atomów (pochodzące od spinów) ustawiają się równolegle (ferromagnetyki) lub antyrównolegle (antyferromagnetyki i ferrimagnetyki); powoduje to występowanie (w nieobecności pola magnetycznego) w ferromagnetykach i ferrimagnetykach spontanicznego namagnesowania w domenach (w antyferromagnetykach następuje kompensacja antyrównoległych momentów magnetycznych); uporządkowanie magnetyczne zanika powyżej pewnej charakterystycznej temperaturze (punkt Curie, punkt Néela).
Właściwości optyczne ciał stałych są ściśle związane z ich strukturą i właściwościami elektrycznymi (strukturą elektronową). Barwa i połysk są wynikiem selektywnego pochłaniania i odbicia światła; np. metale zawdzięczają swój wygląd oddziaływaniu światła z elektronami przewodnictwa. Charakterystyczne zabarwienie może być także wywołane obecnością domieszek i defektów.
Ciała stałe bezpostaciowe (szkła). Charakterystyczną cechą makroskopową szkieł jest zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w stan ciekły pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury; proces powstawania szkła podczas chłodzenia cieczy (zeszklenie) polega na stopniowym wzroście jej lepkości do wartości 1013–1014 dPa·s, przy której traci ona płynność i staje się ciałem stałym. Szkło ma strukurę przechłodzonej cieczy, z której powstało. Temperatura zeszklenia, chociaż zależy od szybkości chłodzenia, jest ważną wielkością charakteryzującą szkło. Szkła są substancjami termodynamicznie nietrwałymi i wykazują stałą tendencję do krystalizacji.
Zdolność substancji do występowania w stanie szklistym zależy od budowy jej cząsteczek i jest szczególnie duża dla cząsteczek o wiązaniach pośrednich między jonowymi a kowalencyjnymi. Cząsteczki te łatwo tworzą łańcuchy i struktury trójwymiarowe; należą do nich niektóre tlenki (głównie krzemu, boru, fosforu, germanu) oraz siarczki, tellurki, selenki (głównie fosforu, arsenu, antymonu), a także niektóre związki organiczne; łatwo więc otrzymuje się szkła krzemionkowe (szkło) lub szkła z polimerów organicznych (np. poli(metakrylanu metylu)), trudno natomiast ze stopionych metali (wymaga to specjalnych metod, np. bardzo szybkiego chłodzenia).
Szkła są ciałami sztywnymi, wykazującymi, tak jak ciała krystaliczne, sprężystość postaci; są twarde, ale kruche — pękają pod wpływem gwałtownie przyłożonej siły, np. uderzenia. Pod wpływem stałego obciążenia kształt niektórych ciał szklistych zmienia się z czasem, jednak zmiany te są na ogół bardzo małe w normalnych temperaturach — np. obserwuje się „płynięcie” szkła okiennego (pod wpływem siły ciężkości grubość dolnej części szyb po wielu dziesiątkach lat staje się nieco większa niż górnej).
Właściwości elektryczne, magnetyczne i optyczne bezpostaciowych ciał stałych są na ogół podobne do właściwości ich postaci krystalicznych, np. metale szkliste zachowują nieprzezroczystość, metaliczny połysk i dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne, a szkła niemetaliczne są zwykle przezroczystymi dielektrykami. Właściwości szkieł można modyfikować przez wprowadzanie domieszek innych substancji lub przez odpowiednią obróbkę cieplną.
W ciele bezpostaciowym pasma energetyczne są rozmyte, tj. stanowią zespół poziomów energetycznych o stopniowo zanikającej gęstości, rozciągających się w głąb przerwy wzbronionej. Poprzez zmianę składu chemicznego lub stopnia nieuporządkowania ciała można zmieniać strukturę jego poziomów energetycznych i właściwości elektryczne, np. spowodować przemianę przewodnika w izolator.
Bibliografia
N.W. ASHCROFT, N.D. MERMIN Fizyka ciała stałego, Warszawa 1986.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia