Leszek A. Dobrzański - 02 - Podstawy nauki o materiałach.pdf

(50755 KB) Pobierz

2728131 UNPDF

2 roz 6-11-02 22:56 Page 1

Podstawy nauki

o materiałach

2728131.350.png

2 roz 6-11-02 22:56 Page 10

2.1. Materia

i jej składniki

2.1.1. Cząstki elementarne materii

MODEL STANDARDOWY BUDOWY MATERII

Materia składa się z wielu cząstek elementarnych . Dotychczas wykryto i po-

twierdzono doświadczalnie istnienie ponad trzystu cząstek elementarnych. Według

współczesnej wiedzy materia jest zbudowana z 6 kwarków i 6 leptonów . Są one

cząstkami elementarnymi niepodziel-

nymi, wchodzącymi (w grupach lub

pojedynczo) w skład innych cząstek

materii. W tablicy 2.1 przedstawiono

charakterystykę oddziaływań podsta-

wowych. Całość zjawisk związanych

z elementarnymi cząstkami materii

i oddziaływaniami między nimi opisuje

tzw. model standardowy (tabl. 2.2 ).

Typ oddziaływania

Ładunek

Kwanty przenoszące

oddziaływanie

Silne

kolorowy

gluony g

Elektromagnetyczne

elektryczny

fotony

Słabe

słaby

bozony W + , W – , Z 0

Grawitacyjne

masa

grawitony

KWARKI

Kwarki to cząstki elementarne, które nie są trwałe samodzielnie, lecz wchodzą

w skład innych cząstek po dwa lub trzy. Kwarki są utrzymywane w grupach przez

oddziaływania silne przekazywane przez tzw. gluony – kwanty energii spajające

kwarki (jest osiem rodzajów gluonów o różnych kombinacjach „koloru“). Na kwar-

ki wpływają także oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Rozróżnia się nastę-

pujące kwarki: u ( up – górny), d ( down – dolny), c ( charm – powabny), s ( strange

– dziwny), t ( top – wierzchołkowy lub true – prawdziwy), b ( beauty – piękny lub

bottom – denny) i antykwarki, np. antygórny, antydziwny. Kwarki znacznie różnią

się masą, np. kwark t jest 30000 razy cięższy niż kwark d . Charakteryzuje je

ładunek elektryczny oraz liczby kwantowe zapachu i koloru (określane także jako

Tablica 2.2

Cząstki niepodzielne według modelu standardowego

Rodzaje

cząstek

Rodziny (generacje) cząstek niepodzielnych

Ładunek

elektryczny

pierwsza

druga

trzecia

górny ( u )

powabny ( c )

wierzchołkowy ( t )

+

2

3

Kwarki

dolny ( d )

dziwny ( s )

piękny ( b )

–

1 3

elektron (e – )

mion (

–

tauon (

–

–1

Leptony

neutrino elektronowe (

e ) neutrino mionowe (

)

neutrino tauonowe (

)

0

10

Tablica 2.1

Charakterystyka oddziaływań podstawowych (fundamentalnych)

–

2728131.361.png

2728131.372.png

2728131.383.png

2728131.001.png

2728131.012.png

2728131.023.png

2728131.034.png

2728131.045.png

2728131.056.png

2728131.067.png

2728131.078.png

2728131.089.png

2728131.100.png

2728131.111.png

2728131.122.png

2728131.133.png

2728131.144.png

2728131.155.png

2728131.166.png

2728131.177.png

2728131.188.png

2728131.199.png

2728131.210.png

2728131.221.png

2728131.232.png

2728131.243.png

2728131.254.png

2728131.265.png

2728131.276.png

2728131.287.png

2728131.298.png

2728131.309.png

2728131.320.png

2728131.330.png

2728131.331.png

2728131.332.png

2728131.333.png

2728131.334.png

2728131.335.png

2728131.336.png

2728131.337.png

2728131.338.png

2728131.339.png

2728131.340.png

2728131.341.png

2728131.342.png

2728131.343.png

2728131.344.png

2728131.345.png

2728131.346.png

2728131.347.png

2728131.348.png

2728131.349.png

2728131.351.png

2728131.352.png

2728131.353.png

2728131.354.png

2728131.355.png

2728131.356.png

2728131.357.png

2728131.358.png

2728131.359.png

2728131.360.png

2728131.362.png

2728131.363.png

2728131.364.png

2728131.365.png

2728131.366.png

2728131.367.png

2728131.368.png

2728131.369.png

2728131.370.png

2728131.371.png

2728131.373.png

2728131.374.png

2728131.375.png

2728131.376.png

2728131.377.png

2728131.378.png

2728131.379.png

2728131.380.png

2728131.381.png

2728131.382.png

2728131.384.png

2728131.385.png

2728131.386.png

2728131.387.png

2728131.388.png

2728131.389.png

2728131.390.png

2728131.391.png

2728131.392.png

2728131.393.png

2728131.002.png

2728131.003.png

2728131.004.png

2728131.005.png

2728131.006.png

2 roz 6-11-02 22:56 Page 11

2.1. Materia i jej składniki

rodzaj ładunku). W skład grupy kwarków mogą wejść tylko kwarki różniące się

kolorem. Cząstki złożone z dwóch kwarków, tzw. mezony , są niestabilne. Cząstki

składające się z trzech kwarków są nazywane barionami .

NUKLEONY

W otaczającej nas materii znaczenie mają dwa kwarki: górny u o ładunku + 2 / 3

i dolny d o ładunku – 1 / 3 . Kwarki te wchodzą w skład nukleonów , tj. protonów i neu-

tronów. Proton składa się z 2 kwarków u i 1 kwarka d . Jego ładunek wynosi

+1 ( 2 / 3 + 2 / 3 – 1 / 3 ). Neutron składa się z 2 kwarków d i 1 kwarka u i jest elektrycznie

obojętny (– 1 / 3 – 1 / 3 + 2 / 3 = 0). Kwarki wchodzące w skład pojedynczego protonu lub

neutronu muszą się cechować trzema różnymi „kolorami“ – czerwonym, zielonym

i niebieskim.

LEPTONY

Leptony to cząstki elementarne, na które nie wpływają oddziaływania silne.

Cząstki te to elektron e – , mion

(tau) – podlegające oddziaływaniom

elektromagnetycznym i słabym – oraz odpowiadające im neutrina: elektronowe ν

–

i tauon

–

e ,

– podlegające tylko oddziaływaniom słabym (tabl. 2.2).

Powszechnie występującym leptonem w otaczającej nas materii jest elektron

o ładunku –1.

ν µ

i tauonowe

ν τ

NAJWAŻNIEJSZE CZĄSTKI ELEMENTARNE

Do najważniejszych cząstek elementarnych należą:

elektrony ,

protony ,

neutrony .

W tablicy 2.3 przedstawiono masę i ładunek elektryczny, którymi cechują się

cząstki elementarne.

Tablica 2.3

Masa i ładunek cząstek elementarnych materii

Cząstka elementarna

Masa

Ładunek elektryczny

55 10 ajm 1)

9,1091 ⋅

–4

Elektron

–1,6⋅ 10 –19 C

Proton

1,00758 ajm

1,6725 ⋅ 10 –27 kg

+1,6⋅ 10 –19 C

Neutron

1,00897 ajm

1,6748 ⋅ 10 –27

kg

elektrycznie obojętny

1) ajm – atomowa jednostka masy równa 1/12 masy atomu izotopu węgla o liczbie masowej 12.

ATOMY, PIERWIASTKI CHEMICZNE I IZOTOPY

Większymi cząstkami materii są atomy , które składają się z jądra i rozmieszczo-

nych wokół niego elektronów. W skład jądra wchodzą nukleony, które – w zależ-

ności od ładunku elektrycznego bądź jego braku – są protonami lub neutronami.

11

mionowe

⋅ 10 –31 kg

2728131.007.png

2728131.008.png

2728131.009.png

2728131.010.png

2728131.011.png

2728131.013.png

2728131.014.png

2728131.015.png

2728131.016.png

2728131.017.png

2728131.018.png

2728131.019.png

2728131.020.png

2728131.021.png

2728131.022.png

2728131.024.png

2728131.025.png

2728131.026.png

2728131.027.png

2728131.028.png

2728131.029.png

2728131.030.png

2728131.031.png

2728131.032.png

2728131.033.png

2728131.035.png

2728131.036.png

2728131.037.png

2728131.038.png

2728131.039.png

2728131.040.png

2728131.041.png

2728131.042.png

2728131.043.png

2728131.044.png

2728131.046.png

2728131.047.png

2728131.048.png

2728131.049.png

2728131.050.png

2728131.051.png

2728131.052.png

2728131.053.png

2728131.054.png

2728131.055.png

2728131.057.png

2728131.058.png

2728131.059.png

2728131.060.png

2728131.061.png

2728131.062.png

2728131.063.png

2728131.064.png

2728131.065.png

2728131.066.png

2728131.068.png

2728131.069.png

2728131.070.png

2728131.071.png

2728131.072.png

2728131.073.png

2728131.074.png

2728131.075.png

2728131.076.png

2728131.077.png

2728131.079.png

2728131.080.png

2728131.081.png

2728131.082.png

2728131.083.png

2728131.084.png

2728131.085.png

2728131.086.png

2728131.087.png

2728131.088.png

2728131.090.png

2728131.091.png

2728131.092.png

2728131.093.png

2728131.094.png

2728131.095.png

2728131.096.png

2728131.097.png

2728131.098.png

2728131.099.png

2728131.101.png

2728131.102.png

2728131.103.png

2728131.104.png

2728131.105.png

2728131.106.png

2728131.107.png

2728131.108.png

2728131.109.png

2728131.110.png

2728131.112.png

2728131.113.png

2 roz 6-11-02 22:56 Page 12

2. Podstawy nauki o materiałach

Liczba protonów w jądrze, równa liczbie elektronów atomu obojętnego, nosi

nazwę liczby atomowej Z . Liczba atomowa jednoznacznie określa przynależność

atomu do danego pierwiastka chemicznego.

Pierwiastek chemiczny jest zbiorem atomów o jednakowych ładunkach jąder.

W przyrodzie występują pierwiastki chemiczne o liczbach atomowych od 1 ( H – wo-

dór) do 94 ( Pu – pluton). W reaktorach jądrowych – w sposób sztuczny – zdołano

otrzymać pierwiastki o większej liczbie atomowej, w tym o liczbie atomowej 118.

Liczba nukleonów w jądrze jest nazywana liczbą masową A . Ponieważ liczba ne-

utronów w atomach danego pierwiastka chemicznego może być różna, atomy tego

samego pierwiastka chemicznego mogą się różnić liczbą masową. Odmiany pier-

wiastków chemicznych o jednakowej liczbie atomowej Z , lecz różniące się liczbą

masową A , są nazywane izotopami . Wszystkie pierwiastki chemiczne mają izotopy.

Atomy, których jądra różnią się liczbą protonów i neutronów, nazywane są nuk-

lidami . Nuklidy tego samego pierwiastka chemicznego są zatem izotopami.

Pierwiastki chemiczne są więc mieszaniną izotopów. Z tego względu masy atomo-

we pierwiastków chemicznych nie są liczbami całkowitymi. Masą atomową danego

pierwiastka chemicznego jest stosunek średniej masy atomu tego pierwiastka do

masy 1/12 atomu izotopu węgla o liczbie masowej równej 12.

2.1.2. Budowa atomu

WYKORZYSTANIE MECHANIKI FALOWEJ W TEORII BUDOWY ATOMU

Teorię budowy atomu opracowano z wykorzystaniem mechaniki falowej.

Mechanika falowa umożliwia opisanie zachowania się elektronów w atomach i kry-

ształach. Zgodnie z założeniami mechaniki falowej cząstkom materii przypisuje się

własności charakterystyczne dla światła. Molekularny i falowy charakter światła

należy rozumieć w taki sposób, że światło złożone z tzw. fotonów porusza się

zgodnie z prawami mechaniki falowej. Doświadczalne potwierdzenie słuszności

założeń mechaniki falowej w odniesieniu do atomu stanowi dyfrakcja (ugięcie)

elektronów przechodzących przez kryształy.

STRUKTURA ELEKTRONOWA ATOMU

Położenia i prędkości elektronów otaczających jądro

atomu, zgodnie z zasadą nieoznaczoności, nie można

dokładnie opisać. Można tylko określić prawdopodo-

bieństwo znalezienia się elektronu w poszczególnych miejs-

cach otaczających jądro. Strukturę elektronową należy sobie

wyobrażać jako chmurę elektronową wokół jądra. Duże praw-

dopodobieństwo znalezienia się elektronu w danym miejscu

odpowiada dużej gęstości chmury elektronowej.

Gęstość chmury elektronowej na jednostkę objętości

z

r

ρ

można przedstawić jako iloczyn trzech funkcji, z których

każda jest uzależniona odpowiednio od odległości promie-

niowej od jądra r lub kątów

x

y

, określających położenie

danego punktu względem jądra we współrzędnych biegu-

nowych (rys. 2.1 ):

12

Rysunek 2.1

Współrzędne

biegunowe

i

2728131.114.png

2728131.115.png

2728131.116.png

2728131.117.png

2728131.118.png

2728131.119.png

2728131.120.png

2728131.121.png

2728131.123.png

2728131.124.png

2728131.125.png

2728131.126.png

2728131.127.png

2728131.128.png

2728131.129.png

2728131.130.png

2728131.131.png

2728131.132.png

2728131.134.png

2728131.135.png

2728131.136.png

2728131.137.png

2728131.138.png

2728131.139.png

2728131.140.png

2728131.141.png

2728131.142.png

2728131.143.png

2728131.145.png

2728131.146.png

2728131.147.png

2728131.148.png

2728131.149.png

2728131.150.png

2728131.151.png

2728131.152.png

2728131.153.png

2728131.154.png

2728131.156.png

2728131.157.png

2728131.158.png

2728131.159.png

2728131.160.png

2728131.161.png

2728131.162.png

2728131.163.png

2728131.164.png

2728131.165.png

2728131.167.png

2728131.168.png

2728131.169.png

2728131.170.png

2728131.171.png

2728131.172.png

2728131.173.png

2728131.174.png

2728131.175.png

2728131.176.png

2728131.178.png

2728131.179.png

2728131.180.png

2728131.181.png

2728131.182.png

2728131.183.png

2728131.184.png

2728131.185.png

2728131.186.png

2728131.187.png

2728131.189.png

2728131.190.png

2728131.191.png

2728131.192.png

2728131.193.png

2728131.194.png

2728131.195.png

2728131.196.png

2728131.197.png

2728131.198.png

2728131.200.png

2728131.201.png

2728131.202.png

2728131.203.png

2728131.204.png

2728131.205.png

2728131.206.png

2728131.207.png

2728131.208.png

2728131.209.png

2728131.211.png

2728131.212.png

2728131.213.png

2728131.214.png

2728131.215.png

2728131.216.png

2728131.217.png

2728131.218.png

2728131.219.png

2728131.220.png

2728131.222.png

2 roz 6-11-02 22:56 Page 13

2.1. Materia i jej składniki

R 2 r 2

R 2 r 2

R 2 r 2

2p

1s

2s

r

r

r

r 2 (według P. Wilkesa);

R 2 r 2 – radialna gęstość prawdopodobieństwa, r – odległość promieniowa, 1s, 2s, 2p – oznaczenia podpowłok

elektronowych (porównaj rozdział 2.1.3)

C

R(r)

(θ

)⋅Φ

(ϕ

),

(2.1)

gdzie:

C – stała.

Prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu na danym promieniu najko-

rzystniej można opisać radialną gęstością prawdopodobieństwa R 2 ( r )⋅

r 2 (rys. 2.2 ).

Kształty funkcji

(

) podano w tablicy 2.4 . Iloczyn funkcji

(

)

(

), zwany

, przedstawiony w postaci trójwymiarowego wykre-

su, z dostatecznym przybliżeniem obrazuje zewnętrzny kształt atomu (tabl. 2.4).

Funkcje

muszą być pomnożone przez funkcję R ( r ). W wyniku tego następuje

pewna zmiana kształtu figur pokazanych na rysunku 2.2 i „rozmycie“ krawędzi.

STANY ENERGETYCZNE ELEKTRONU W ATOMIE

Elektron poruszający się w polu jądrowym może zajmować tylko ściśle

określone stany energetyczne związane z gęstościami chmur elektronowych. Stan

energetyczny elektronu charakteryzują cztery liczby kwantowe:

główna n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 lub 7, n ≥ 1,

poboczna l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, l ≤ n – 1,

magnetyczna – l ≤ m l ≤ + l ,

spinowa m s =

1 / 2 .

Główna liczba kwantowa n określa liczbę powierzchni węzłowych kulistych, ze

środkiem w jądrze, lub płaszczyzn przechodzących przez jądro, na których gęstość

chmury elektronowej jest równa zeru. Większe liczby świadczą o dużej wielkości

chmur elektronowych. Główna liczba kwantowa określa zatem tzw. powłoki elek-

tronowe poszczególnych stanów energetycznych, oznaczane kolejno liczbami od

1 do 7 lub dużymi literami K, L, M, N, O, P i Q.

Poboczna liczba kwantowa l określa podpowłoki elektronowe, oznaczane

odpowiednio s, p, d, f, gdy l = 0, 1, 2, 3. Określa ona liczbę płaszczyzn węzłowych

przechodzących przez jądro atomu i charakteryzuje moment pędu elektronu.

Magnetyczna liczba kwantowa m l jest miarą orientacji momentu pędu elektronu

i określa składową tego momentu w kierunku przyłożonego pola magnetycznego.

Spinowa liczba kwantowa m s ujmuje wpływ pola magnetycznego wytwarzanego

przez elektron wirujący wokół swojej osi. Znak liczby spinowej zależy od tego,

czy elektron jest ustawiony równolegle, czy antyrównolegle do linii sił pola

magnetycznego.

13

Rysunek 2.2

Radialna gęstość prawdopodobieństwa R 2 (r)

czynnikiem funkcji gęstości

2728131.223.png

2728131.224.png

2728131.225.png

2728131.226.png

2728131.227.png

2728131.228.png

2728131.229.png

2728131.230.png

2728131.231.png

2728131.233.png

2728131.234.png

2728131.235.png

2728131.236.png

2728131.237.png

2728131.238.png

2728131.239.png

2728131.240.png

2728131.241.png

2728131.242.png

2728131.244.png

2728131.245.png

2728131.246.png

2728131.247.png

2728131.248.png

2728131.249.png

2728131.250.png

2728131.251.png

2728131.252.png

2728131.253.png

2728131.255.png

2728131.256.png

2728131.257.png

2728131.258.png

2728131.259.png

2728131.260.png

2728131.261.png

2728131.262.png

2728131.263.png

2728131.264.png

2728131.266.png

2728131.267.png

2728131.268.png

2728131.269.png

2728131.270.png

2728131.271.png

2728131.272.png

2728131.273.png

2728131.274.png

2728131.275.png

2728131.277.png

2728131.278.png

2728131.279.png

2728131.280.png

2728131.281.png

2728131.282.png

2728131.283.png

2728131.284.png

2728131.285.png

2728131.286.png

2728131.288.png

2728131.289.png

2728131.290.png

2728131.291.png

2728131.292.png

2728131.293.png

2728131.294.png

2728131.295.png

2728131.296.png

2728131.297.png

2728131.299.png

2728131.300.png

2728131.301.png

2728131.302.png

2728131.303.png

2728131.304.png

2728131.305.png

2728131.306.png

2728131.307.png

2728131.308.png

2728131.310.png

2728131.311.png

2728131.312.png

2728131.313.png

2728131.314.png

2728131.315.png

2728131.316.png

2728131.317.png

2728131.318.png

2728131.319.png

2728131.321.png

2728131.322.png

2728131.323.png

2728131.324.png

2728131.325.png

2728131.326.png

2728131.327.png

2728131.328.png

2728131.329.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Głowacka Maria - Metaloznawstwo.pdf (6016 KB)
Leksykon Materiałoznawstwa.rar (12843 KB)
Metaloznawstwo - podręcznik akademicki.rar (5351 KB)
Materiałoznawstwo, stopy, technologie.rar (11735 KB)
Materiały Inżynierskie - Skrypt PW.pdf (4417 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin