Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Энергетика Алмасу реакциясы 4 страница
просмотров - 280

34. Атомдық - күштік микроскоптың жұмыс істеу ретін сызба нұсқасы арқылы түсіндіріңіз.Бұл микоскоппен жұмыс істегенде қандай өлшеммен өлшенеді?

Атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу реті Бұрын көрсетілгендей сканерлеуші туннелді микроскоптар тек электр тогын өткізетін материалдардың электрөткізуші бетін зерттеу үшін ғана қолданылатын болған. Бұл кемшілікті кейінгі зерттеулер нәтижелœері түзетті, зерттеулер нәтижесінде бір мезгілде екі зерттеу орталығында (ИБМ фирма лабораториясы мен АҚШ-ғы Стэнфорд Университеті) жаңа изолятордың беттік қабатын өлшеуге мүмкіндік беретін электронды микроскоптар жасалынды. Атомдық-күштік микроскоп деген атау алған бұл өлшеуіш құралда атомдар арасындағы атомаралық күш өлшенеді. Микроскопта зонд жазық пружина соңына бекітілген және оның орналасуы зонд пен беттік атомдар арасында пайда болатын атомаралық күштердің өлшемімен анықталады. Сол себептен бұл приборда негізгі физикалық өлшеуіш ретінде атомдар арасындағы әсерлесу жүреді,олардың шамасы анықтау нүктесінде белгілі бір аймақтың кекдір-бұдырлығымен анықталады.Бұл күштер қасиеті бойынша кері итеруші күштер болып табылады,ал олардың шамасы бізге бұрыннан белгілі өлшем бірлік бойынша өрнектелœеді,яғни ньютонмен(негізінде,абсолютті мәнде бұл күштердің өлшем бірлігі нано-ньютонмен өрнектелœеді). Жалпы атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу принципі бастапқы принцип бойынша қала береді,яғни жоғарғы қабаты зондпен сканерленеді,кейін алынған мәліметтер кескін түрінде беріледі. Көрсетілген құрылғыдағы зонд бетінің арақашықтығын қандай дәлдікпен тіркеуге болады? Кронштейн пластинасының жағдайын эксперименттік өлшеу туралы сөз болып отыр,біз өлшеу жүргізу үшін оптикалық лазерді қолдануымызға болады. Беттің “кедір-бұдыр” қабатындағы атомдар мен зонд ұшының арасында пайда болған атомаралық күштің шамасы пластина-кронштейннің иілу дәрежесімен сәйкес келœеді,яғни өте жоғары дәлдікпен өлшеуге болатын лазер сәулесінің пластинадағы бейнесін қарапайым оптикалық детектор (фотодиод) көмегімен тіркеу арқылы өлшеу жүргі-зу. Беттің бейнесін өте жоғары дәлдікпен алуға атомдық-күштік микрос-коп мумкіндік береді(1А-10\0м дейін),микроскоптың анықтау дәлдігі сканерлеуші туннелді микроскоптардың анықтай дәлдігінен алде қайда жоғары болып келœеді. Бұл атомдық-күштік микроскоптарда зонд өткір-лігіне зерттеліп отырған бетті зерттеуде жақын орналасуына шек қойылмайтындығында,яғни атомдық-күштік микроскоптарды ток пайда болмайтын диэлектрлі материалдарды зерттеу үшін қолданады. Ток өткізбейтін атомаралық құрылымын зерттеу үшін атомдық-күштік микроскопты ойлап табу өте маңызды болды. Бұдан басқа кронштейн материалдарының қасиетін жақсарту-атомдық-күштік микроскоптардың анықтау дәлдігін жоғарылатуы мум-кін. Кронштейнде пайда болатын әлсіз иілгіш қысым өте жоғары дәлдікпен көрсетіледі(1нм) ,бұл атом құрылымының атомаралық деңгейіне сәйкес келœеді. Атомдық-күштік микроскоп көмегімен алынатын өткізгіш материалдар туралы хабарлама сканерлеуші зондты микроскоп арқылы өлшенген нәтиженің толықтырмасы ретінде қарастырылады,бұл алынған нәтижелœерді анализдеп салыстыруға қосымша мумкіндік береді. Соңғы кезде атомдық-күштік микроскоптарды жоғарғы қабаттың басқа да шамаларын тәжірибе жүзінде анықтауда қолданылады(мысалы,магниттік немесе электростатикалық күштерді және де адсорбционды және т.б параметрлерді анықтауда). 10-суретте электродтың жоғарғы қабатының атомдық-күштік микроскоп-тың кескіні көрсетілген,галий арсенидінен жасалынған. Тордағы атом-дар арасындағы қашықтық шамамен 0,4 нм.

35 Қандай тәуелділік өлшемді эффект деп аталады Қандай термодинамикалық қасиеттерде өлшемді эффект байқалады Атомдардың беттегі орналасуы дененің көлемінде орналасуынан геометриялық және физикалық айырмашылық жасайды. Бетте атомдық реконструкция туады және дененің көлеміндегі химиялық құрамымен беттік құрамы стехиометриялық құрамға сәйкестенбейді. Мұндай атомаралық қабаттардың сәйкессіздігі қалыңдығына таралады.

Сонымен қатар, дақылдардың кристалл бетінің шеттерінде атомдар үшін НБ бетінің көлемдік қасиеттерін ерекшелœейтін НБ кертпештер, құламалар және тағы да басқа теңсіздіктер туындайды. Наноөлшемдер аймағы – кванттық механика

ның заңдарының қызметі аймағы. Өлшемдік эффект НБ бөлшектерінің өлшемдерінен тәуелділігі бойынша беттік және көлемдік қасиеттерінің арасындағы байланысты анықтайды. Сандық тұрғыда өлшемдік эффектіні НБ бетінің(шар тәрізді бөлшектер үшін ) көлемімен ( ) қатынасы ретінде қарастыруға болады, яғни, - бұл өлшем бөлшектердің диаметріне (1/а) немесе радиусына(1/r) кері пропорционал. НБ бетіндегі ( ) атомдар (молекулалар) санының көлемдегі ( ) атомдар санына қатынасын келœесідей өрнектеуге болады:

, (2.4)

Мұндағы, - беттік атомдардың (молекулалардың) олардың НБ көлеміндегі санына қатынасының мөлшерін көрсетеді. (2.4) формулаға сәйкес сфералық НБ үшін мәні келœесідей өзгереді:

Көлемдегі атомдар саны 106 105 104 103 102
(беттік атомдардың мөлшері), %

Көлемдегі атомдар саны 106 дәрежесінен 102 дәрежесіне дейін азайғанда (НБ өлшемінің төмендеуіне эквивалентті сәйкес келœетін) беттік атомдардың мөлшері 86% -ға дейін өседі, яғни бөлшектердің өлшемі төмендеген сайын беттік атомдардың мөлшері көлемдік атомдар мөлшерінен едәуір арта түседі. Көлемдегі 104 шамасындағы атомдар саны дисперсті фаза түзетін НБ-ның төменгі өлшеміне (2-3 нм) сәйкес келœеді. Сонымен қатар, өлшемдік эффектіні жалпы көлемдегі (V) беттік қабаттың мөлшері ретінде ∆V; бұл үлесті анықтау формуласы диаметрі а және беттік қабаттың қалыңдығы h бөлшек үшін:

(2.5)

3-4 атомға (0,5-1,5 нм) тең және беттік қабатының қалыңдығы h болатын, НБ орташа мәні 10-20 нм болатын беттік қабатта НБ-ның жалпы массасының 50%-на жуығы орналасады. Бұл беттік және көлемдік жағдайда НБ түсінігі шартты сипатқа ие.

Жалпы түрде беттік атомдардың көлемдік атомдарға тәуелділігі 2.2. –суретте келтірілген. Ордината осінің сол жағын β коэффициент сипаттайды, ал оң жағын – НБ радиусы сипаттайды. Абцисса көлемдегі атомдар санын (Nкөл) көрсетеді. Төменгі бөліктегі стрелка НБ-ға коллоидтық химия объекті ретінде сәйкестенетін шекті өлшемін (2-3нм) береді (1.2. тарау).

Стрелкалар келœесілерді көрсетеді: 1- НБ өлшемінің өсуін; 2 – көлемдегі атомдардың мөлшерінің азаюын. Егер көлемдегі атомдар саны 10-ға дейін төмендесе (2.2 суреттің абцисса осінде), онда беттік атомдар 90%-ға ұмтылады. Үлкенірек НБ қатынасында бөлшектердің өлшемі 100 нм-ге жуықтаса, онда бұл шама өседі де, көлемдегі атомдар саны тез жоғарылайды, ал беттік атомдардың қатынастық үлесі өте төмен (Nкөл →∞, ал β→0) болады. Бұл өлшемдік эффектінің макробөлшектер үшін орындалмайтынын көрсетеді.

2.2- сурет. Беттік атомдардың мөлшерінің (β), НБ диаметрінің (а) көлемдегі (Nкөл) атомдар санына тәуелді өзгерісі.

НБ бетіндегі атомдар (молекулалар) мөлшері α НБ өлшемінің (радиусының) кемуімен өседі, яғни (НБ беті ауданының көлемге қатынасы). α шамасы тең:

Өлшемік эффект тек қана сандық қатынаспен ғана анықталмайды (2.4 тарау), сонымен қатар НБ бетінің сапалық ерекшеліктерімен де сипатталады. Беттік атомдар қоршаған НБ ортасымен байланысты. Көлемдегі атомдар өздері тектестермен қоршалған. Қанықпаған байланыстардың түзілуі нәтижесінде НБ бетінде атомдық рекомбинация жүруі мүмкін және көлемдік атомдармен салыстырғанда атомдардың орналасуы өзгереді. НБ бетінде қоршаған ортадағы молекулалар мен атомдар адсорбциялануы мүмкін. Көлемдік және беттік атомдардың ерігіштігі әртүрлі. Кванттық-өлшемдік эффектінің (2.5. тарау) пайда болуы беттік атомдардың ерекше қасиеттеріне байланысты.

Коллоидтық химияның дисперсті жүйелœер және беттік құбылыстарды зерттейтін ғылым екендігін еске саламыз. НБ-ның барлық беттік құбылыстары өлшемдік эффектімен түсіндіріледі. Алдағы уақытта барлық назар коллоидтық-химиялық құбылыстардың (5 және 6 тарау) ерекшеліктеріне аударылады және жалпылама бағытталады (8 тарау). Өлшемдік эффектінің салдарын ескере отырып, тіпті химиялық біртекті НБ-ны кейде ядро және оны қоршайтын басқа зат қабатынан тұратын екіфазалы бөлшекке теңеуге болады. Сонымен, НБ алғашқы өзгеше ерекшелігі – бұл өлшемдік эффект. Беттік атомдар мөлшерін көлемдік атомдармен салыстырып өсуді анықтауға болады және беттік энергияның қосымша артық мөлшерін алдын-ала анықтауға болады (2.3 теңдігін қараңыз). Өлшемдік эффект сәйкестік заңын сипаттайды. Бұл заңның мағынасы келœесідей: қандай да бір объектінің (бқл жағдайда НБ) геометриялық өлшемдерінің n ретке (n-коэффициент) механикалық кемуі сол объектінің әртүрлі параметрлерін сонша n есе өзгертеді.

Өлшемдік эффект, сәйкестік заңы, қандай да бір объектінің геометриялық өлшемінің n есеге кемуі, сол объектінің сипаттамалары мен қасиеттерін адекватты емес өзгертеді. Мысалы, транзистор үшін геометриялық өлшемдерін 1/ n коэффициентіне өзгертсек, кернеу шамасы, көлемі және ток 1/ n-ға, ал ыдырау қуаттылығы 1/ n2, қосылу энергиясы 1/ n3 шамасына, ал қорап тығыздығы n2 шамасына, бет ауданының бірлігіне келœетін ток шамасы n-ға өзгереді, ал ыдырау қуаттылығының тығыздығы тұрақты болып қалады. Өлшемдік эффект химиялық тепе-теңдіктің ығысуына әсер етеді. Химиялық термодинамикаға сәйкес бастапқы реагент Аі Вj өніміне айналу процесінің тепе-теңдігі келœесідей жазылады:

мұнда, υі және μі – сәйкес стехиометриялық коэффициенттер.

Тұрақты қысым және температура кезінде Кр тепе-теңдік константасы Гиббс энергиясының өзгерісімен байланысты:

(2.6)

«0» индексі стандартты жағдайды білдіреді. Стандартты жағдайда келœесі теңдеумен өрнектелœеді:

Гиббс энергиясының өзгеруі -ге тең:

(2.7)

Стандартты энтальпия және энтропияның өзгерістері арқылы Гиббс энергиясының өзгерісі мен процесстің жүру жолын (2.1. формула бойынша) анықтауға болады. Қосымша анықтамаларда энтальпия және энтропияның массалық фазаға арналған мәндері келтіріледі. Гиббс энергиясын ( ) біле отырып, 2.6. формуласы бойынша тепе-теңдік константасын Кр есептеуге болады. НБ қолдану жүйенің тепе-теңдігін ығыстыруы мүмкін. Термодинамикалық тұрғыда кішкентай бөлшектерді теориялық зерттеу және тәжірибелік деректер бойынша бөлшектер өлшемі активті термодинамикалық өзгермелі болып табылады және жүйенің жағдайын анықтайды. Бөлшектің өлшемі мен оның реакциялық қабілетінің арасындағы байланысты орнату – нанохимияның басты мәселœелерінің бірі болып отыр.

Наноөлшемді эффект негізгі коллоидты-химиялық құбылыстарда байқалады. Ол НБ-ның беттік қасиеттерін алдын-ала анықтайды. Бөлшектер өлшемі активті өзгермелі болып табылады және өзгермелі жүйенің жағдайын және көлемдік қасиеттерін анықтайды.

36 Диа-, пара- және ферромагнетиктердің бір- бірімен айырмашылығы неде?

Магниттік қасиеттерді негізгі уш топка бөліп қарастыруға болады; диамагнетик, парамагнетик, ферромагнетиктер.

Диамагнетизм ( грекше. dia – қалшақтау немесе магнетизм) – магнитті аймаққа қойылған затқа қарама қарсы магниттік қасиеттері бар заттар.

Сыртқы өріс болмаған жағдайда атомдардың магниттікмоменті нөлге тең болғанда, яғни атомдардың барлық электрондарының магниттік моменттері бір бірімен компенсацияланады (мысалы, сутек, инœертті газдар, азот, NaCl және т.б.).

Диамагнитті заттарды магниттік өріске енгізгенде, оның атомдары магниттік моменттерге ие болады. Изотропты диамагнетиктердің аз көлемі шамасында ΔV барлық атомдардың бағытталған магниттік моменттері бірдей және векторға қарама қарсы орналасқан.

Диамагниттің магниттік векторы тең:

мунда n0 – атомдар концентрациясы , – магниттік тұрақтылық, –магниттік ортаға сіңісу

Барлық диамагнитиктер үшін Осылайша, вектор меншикти магнитті аймақтың магнит индукциясы , сырткы магниттену аркылы диамагнетиктің пайда болуы карама карсы бағытка багытталған. (электриктік аумақтагы диэлектрлерге караганда )

Диамагниттерде

Парамагнетизм ( грекше. para – жақын, маңында және магнетизм) – сыртқы магнит өрісіндегі заттар қасиеттерінің магниттеліп, сондықтан парамагнетик ішінде сыртқы өріс әсеріне бағытталған магнит өрісі әсері қосылады.

Парамагнетиктер ­- Сыртқы магнит өрісі болмағанда атомдары нөлден ерекшелœенетін магниттік моментке ие заттар. Бұл заттар вектор бағытында магниттелœеді. Парамагнетиктерге сілтілік металдар, оттек азот оксиді NO, темірсульфиді жатады.

Сыртқы магнит өрісі болмағанда парамагнетиктің магниттелуі , себебі әр түрлі атомдардың векторы хаосты орналасқан.

мәні парамагнетиктер үшін оң ( ) және и находятся в пределах шегінде орналасады, яғни диамагнетиктердікіндей.

Ферромагнетиктер жоғары оң магниттік қабылдауға ие. Алдыңғы материалдарға қарағанда, ферромагнетиктердің қабылдауы белгілі бір мөлшерде температура мен магниттік өріс кернеулігіне ие. Ферромагнетиктер компенсирленбеген антиферромагнетизм ерекшелœенеді. Олардың магниттік қабылдауы магниттік өріс кернеулігіне ие. Алайда бұл жағдайда бірқатар ерекшеліктерге ие. Мұндай қосылыстарға әртүрлі оксидтік қосылыстар жатады.

Келтірілген барлық магнетиктерді тағы да екі категорияға бөледі. Яғни магниттік жұмсақ және магниттік қатаң материалдар. Магниттік қатты коэрцивтивті күш жоғары мәнге ие заттар жатады. Оларды қайта магниттеу үшін күшті магниттік өріс жасау керек. Мұндай магнетиктерді тұрақты магнетиктер дайындауда қолданады. 37 Идеал реологиялық үлгілердің деформациясына жүктеме қалай әсер етеді Гук идеал денесі үлгісін сипаттаңыз

Нанодисперсті жүйелœердің құрылым-механикалық қасиеттерін реологиялық әдістің көме-гімен зерттейді. Реологиялық қасиеттердің дисперсті жүйе-лердің құрылымына тәуелділігін зерттеу арқылы құрылым түзу процестерінің заңдылықтарын анықтап, әртүрлі композициялық материалдарды өндіру сияқты маңызды технологиялық мәселœе-лерді шешуге болады.Маңызды реологиялық сиапаттамаларға тұтқырлық, серпімділік, иілгіштік және беріктік жатады. Оларды анықтау үшін сыртқы механикалық кернеудің (Р) әсерінен болатын деформациялар γ (жүйенің бірынғайлығы бұзылатын нүктелœер-дің ығысуы) мен олардың уақытқа тәуелділігін зерттейді.

Деформацияның түрі кернеудің түріне байланысты. Дис-персті жүйелœердің зерттеулерінде көбіненсе ығысу (жылжу) деформацияларын қарастырады.

Деформациялар қайтымды және қайтымсыз бола алады. Біріншісіне серпімді (Гук деформациялары) мен эластикалық (тежеулі серпімді) деформациялар жатады. Қайтымсыз дефор-мацияларға тұтқырлы ағу (кез келген Р шамасында) мен пластикалық ағу (бір критикалық шамадан үлкен Р үшін) жатады.

Реологияда денелœердің механикалық қасиеттері үлгілер арқылы бейнелœенеді. Серпімді, тұтқыр және пластикалық қасиеттерді бір элементтен тұратын қарапайым үлгілер - Гуктың идеал серпімді денесі, Ньютонның идеал тұтқыр денесі және Сен-Венан-Кулонның идеал пластикалық (иілгіш) денесі -көрсетеді.

Гуктың идеал серпімді денесі дегеніміз деформациялық тәртібі Гук заңымен

немесе (17.2.)

бейнелœенетін пружинадан тұрады (60-сурет).

Гук заңы бойынша серпімді дененің деформациясы берілген жүктеменің шамасына тура пропорционал. Бұл теңдеудегі пропорционалдық коэффициенті материалдың қатаңдығын сипаттайтын Юнг модуліне (Е) тең. Идеал серпімді денеге деформациялардың толық қайтымдылығы тән, яғни жүктемені алып тастағанда дененің пішіні лезде орнына келœеді.

60-сурет. Гуктың идеал серпімді денесінің үлгісі

Реологияда денелœердің механикалық қасиеттері үлгілер арқылы бейнелœенеді. Серпімді, тұтқыр және пластикалық қасиеттерді бір элементтен тұратын қарапайым үлгілер :

ü Гуктың идеал серпімді денесі;

ü Ньютонның идеал тұтқыр денесі;

ü Сен-Венан-Кулонның идеал пластикалық (иілгіш) денесі.

39 Нанодисперсті жүйелœерде кеңістік құрылымдар түзілгенде, бөлшектердің арасныда қандай контактілер пайда болады Дисперсті жүйелœерде түзілетін құрылымдардың өзара қандай айырмашылықтары бар

38-40 Дисперсті жүйелœердің серпімді тұтқыр мен тұтқыр серпімді қасиеттерінің айырмашылығы неде Жаубыңызды реологиялық үлгілер арқылы түсіндіріңіз

Максвелл реалды дене үлгісімен Кельвин- Фойгт дене еүлгісі арасындағы айырмашылығы қандай Идеал дене үлгісімен реал дене үлгісін салыстырыңыз Реалды денелœердің құрылым-механикалық қасиеттерін осы үш қарапайым денені бір-бірімен құрастырып, бейнелœеуге болады. Үш идеал үлгіні параллель немесе тізбекті біріктіру арқылы реал денелœердің қасиеттеріне жақын үлгілерді алуға болады. Мысалы, Гук пен Ньютонның үлгілерін тізбекті құрастыруы сұйықтықтың серпімді қасиеттерін ескеріп, серпімді-тұтқыр дененің қасиеттерін сипаттайтын Максвелл үлгісін береді (63-сурет.

Максвелл үлгісінде Гук және Ньютон элементтеріне бірдей күш (ығысу кернеуі Р) әсер етеді, ал деформациялары мен деформация жылдамдықтары қосылады:

және , (17.4)

мұндағы γ –жалпы деформация; γГ – серпімді элементтің деформациясы; γН – тұтқыр элементтің деформациясы.

       
 
63-сурет. Максвелл үлгісі
 
64-сурет. Максвелл үлгісінің деформациялық қисығы

Максвелл үлгісіне Р тұрақты жүктемесін бергенде алдымен Гук элементі деформацияланады (γ0 – лездегі қайтым-ды деформация), одан кейін Ньютон элементінің деформация-сына сәйкес тұтқыр ағу (қайтымсыз деформация) басталады. Жүктемені алып тастағанда (Р=0) серпімді деформация жоға-лып, үлгідегі γ1 қайтымсыз деформация сақталады. γ0 шамасы арқылы Е серпімділік модулін есептеуге болады:

. (17.5)

Ал γ1 қайтымсыз деформация арқылы динамикалық тұтқырлықты табуға болады ( болғанда):