دید کلی
بر خلاف اکثر مایعات و گازها و مولکولها یا اتمهای
مواد جامد خیلی به هم نزدیک‌اند، ترتیب اتمها در بعضی مواد جامد ، مثل
الماس و
سنگ نمک ، بسیار منظم است و یک شبکه خاص در سراسر ماده بطور منظم تکرار می‌شود.
ساختمان اتمی فلزها هم دارای این الگوی منظم است که
حالت بلوری خوانده می‌شود. در بعضی دیگر از مواد جامد ، مثل
شیشه ، ترتیب اتمها کم و بیش بصورت تصادفی است. ولی در تمام مواد جامد اتمها به شدت با هم درگیرند. اندرکنش بین اتمها باعث بوجود آمدن باندهای
سطوح انرژی می‌شود. به کمک این باندها می‌توان
خواص الکتریکی متمایز کننده هادیها ، عایقها و نیمه‌هادیها را بدست آورد.
اتمها در واقع نقاط مختلف یک
ماده بلوری خنثی هستند، چون بار مثبت پرتونهای هسته توسط بار منفی الکترونهای اطراف آن کاملا خنثی می‌شود. الکترونها بصورت لایه لایه
هسته را در برمی‌گیرند. الکترونهای لایه آخر موسوم به
الکترونهای ظرفیت اهمیت عملی خاصی دارند. این الکترونها در
واکنشهای معمول شیمیایی ، مثل
سوختن ،
زنگ زدن ،
آبکاری فلزات و غیره و همچنین در
عمل هدایت دخالت دارند. الکترونهای لایه‌های داخلی به شدیدا وابسته به هسته بوده و نمی‌توانند در
واکنشهای شیمیایی وارد شوند. البته بسته به
انرژی برخی واکنشها ، مثلا واکنشهای با چند میلیون درجه‌ای ، ممکن است الکترونهای لایه داخلی از
هسته جدا شوند.
لایه آخر بعضی از مواد کامل و برخی دیگر ناقص‌‌اند. لایه کامل از نظر شیمیایی بی‌اثر است برای مثال
گازهای نادر از چنین وضعیتی برخوردارند. خوشبختانه لایه آخر اتمها بیشتر مواد کامل نیست. این مواد در واکنش شیمیایی با مواد دیگر ممکن است به لایه آخرشان تقریبا تکمیل شود در این صورت ماده تمایلی به از دست دادن الکترون ندارد و اصطلاحا
عایق خوانده می‌شود. از طرف دیگر مواد مثل
فلزات به شدت لایه آخر ناقص داشته که الکترونهای آن بطور ضعیف به هسته وابسته است. کمترین نیرویی آنها را جدا کرده و در فرایند جریان وارد می‌کند.
مکانیسم‌های تحریک کننده الکترون
مکانیسم مهمی ، که الکترونها را جدا کرده و از پدیده حرکت وارد می‌کند را در نظر می‌گیریم. می‌دانیم که اتمها ، مولکولها و الکترونهای هر ماده‌ای جنبش دائمی دارد که این جنبش در مواد سرد کمتر از مواد گرم است.
دما را می‌توان معیاری از این حرکت در نظر گرفت. اگر در شبکه ساختمان مواد هر اتم را یک نقطه در نظر بگیریم، در سه جهت دستگاه مختصات برای حرکت ، آزادی دارد. بر طبق
قانون بولتزمن انرژی در هر یک از این جهت‌ها با
دمای مطلق ماده متناسب است. البته این قانون برای مولکولهای گاز صادق بوده و برای مواد چگالتر تقریبا خوب است.
شبکه اتمی ماده را می‌توان در جنبش دائمی در نظر گرفت. هر نقطه از شبکه حول مکان مرکزی خود ، بطور تصادفی تکان می‌خورد. بسته به نوع ماده ، اگر دما زیاد باشد، بعضی از الکترونهای غیر آزاد اتم کند شده و آماده هدایت می‌شوند. به همین دلیل است که عایقها ، که ابتدا با اینکه آزادی کمی داشتند، با زیاد بودن دما بهتر هدایت می‌کنند. از طرف دیگر هدایت کننده‌های فلزی در دماهای بالا هدایت ضعیفتری دارند، با در نظر گرفتن وقایعی که هنگام رانش ناشی از اعمال
میدان الکتریکی از فلز اتفاق می‌افتد، می‌توان دلیل این مطلب را فهمید.
در دماهای بالاتر ، دامنه لرزشهای نقاط
شبکه بلوری بزرگتر است. وقتی که الکترونها در میان شبکه رانده می‌شوند، ظاهرا اتمهای بزرگتری در مقابل خود می‌بینند.
احتمال برخورد بالا می‌رود و در نتیجه بازده الکترون در ایجاد جریان کم می‌شود. اینکه افزایش انرژی نوسان در دماهای بالا می‌تواند الکترونهای بیشتری در فلز آزاد کند، اهمیت چندانی ندارد. زیرا همه
الکترونهای لایه ظرفیت آنها آزاد محسوب می‌شود. یعنی در فلزهای تک ظرفیتی
چگالی الکترونهای هدایتی با چگالی اتمها برابر بوده و مستقل از دما است.
بطوریکه می‌دانیم اجسام ممکن است به سه حالت گاز ، مایع و جامد وجود داشته باشد. با قبول اینکه ماده از مولکولها تشکیل شده است می‌توان خواص اجسام را در این سه حالت توضیح داد:
- در ابتدائی‌ترین بحث‌ها هر ماده‌ای که شکل معین و حجم معین داشته باشد، جامد می‌گویند. ولی در مباحث پیشرفته علمی روی جامد حرکت ذرات نسبت به گازها و مایعات محدودتر بوده و با نظم خاصی در نقاط معینی قرار دارند به عبارتی دیگر جامدات ساختمان بلوری دارند. قابل ذکر است که موادی که ساختمان بلوری دارند، نقطه ذوب معینی دارند.
- هر ماده‌ای که شکل نامعین و حجم نامعین دارند، گاز می‌گویند. همچنین ماده‌ای که شکل نامعین و حجم معین داشته باشد، مایع گفته می‌شود. در حالت گاز ، به علت حرکت سریع و نامنظم مولکولها ، ذرات گاز بطور یکنواخت در تمام حجم آن پخش شده‌اند. فاصله مولکولها از یکدیگر نسبتا زیاد است ولی در حالت مایع ذرات خیلی به هم نزدیکتر هستند. این موضوع را می‌توان از کوچک بودن قابلیت انقباض مایعات نیز نتیجه گرفت.
- نیروی جاذبه بین ذرات در حالت مایع خیلی بیشتر از حالت گازی می‌باشد. ولی با وجود این ، مقدار آن به اندازه‌ای نیست که ذرات را بطور ثابت در نقاط معینی نگاه دارد. بدین جهت است که مایعات شکل خاصی ندارند و به شکل ظرفی که در آن قرار دارند، در می‌آیند.
مقاومت الکتریکی ،
مقاومت مکانیکی ،
اثر هال و … برخی از خواص فیزیکی ماده می‌باشند. مثلا وقتی که جسمی تحت
تابشهای الکترومغناطیسی قرار می‌گیرد ( مثلا
تابش گاما ) ، با اینکه مقاومت الکتریکی جسم زیادی می‌شود ولی اثر هال کاهش می‌یابد.
نقطه جوش ، نقطه ذوب ،
گرمای ویژه ،
رسانندگی گرمایی ،
ظرفیت ویژه و … برخی از خواص گرمایی ماده می‌باشند که با تغییر برخی از آنها ماده ممکن است از حالت مثلا جامد به حالت مایع و یا حتی به گاز تبدیل شود.
خواص شیمیایی ماده خواصی هستند که با تغییر هر کدام از آنها ماده به ماده دیگر تبدیل می‌شود. اکسید شدن را در نظر بگیرید. با
زنگ زدن آهن عنصر آهن تبدیل به ماده‌ای دیگر به نام
اکسید آهن تبدیل می‌شود که کاملا با خود
آهن فرق دارد.
مباحث مرتبط با عنوان
