التبلور وفيزياء الجوامد

1. فيزياء الجوامد

1.1. هو أكبر فروع علم فيزياء المواد المكثفة وهو علم يهتم بدراسة المواد الجامدة، والمواد الصلبة، من خلال أساليب مثل ميكانيكا الكم، وعلم البلورات، الكهرومغناطيسية، وعلم السبائك.

1.2. فيزياء الجوامد تفسر كيف أن الكثير من خصائص المواد الصلبة يمكن أن تكون نتاج لخصائص تركيبها الذري. بذلك يمكن اعتبار فيزياء الجوامد تشكل الأساس النظري لعلم المواد، فضلاً على أن لها تطبيقات مباشرة، على سبيل المثال في تكنولوجيا الترنزستورات وأشباه الموصلات

2. اشكال القوى بين الذرات في البلورة

2.1. القوى بين الذرات في البلورة يمكن أن تتخذ أشكالاً متعددة. على سبيل المثال، في بلورة كلوريد الصوديوم (ملح الطعام)، تتكون البلورة من أيونات صوديوم وكلور مرتبطة معًا بروابط أيونية. وفي حالات أخرى تشارك الذرات الإلكترونات وتكون روابط تساهمية.

2.2. في المعادن، تُتَشَارَك الإلكترونات في كامل البلورة في رابطة فلزية. أما الغازات الخاملة فلا تخضع لأي نوع من هذه الروابط. في الحالة الصلبة، الغازات الخاملة تترابط عن طريق قوى فان دير فالس المتكونة من استقطاب سحابة الشحنات الكهربية في كل ذرة. ويمكن القول بأن الاختلافات بين أنواع المواد الصلبة تنتج من الاختلاف بين روابطها

3. بنيه البلوره وخصائصها

3.1. الكثير من خصائص المواد تتأثر ببنيتها البلورية. هذه البنية يمكن دراستها عن طريق مجموعة من تقنيات علم البلورات، مثل أشعة إكس البلورية، والحيود النيوتروني ، والحيود الإلكتروني. أحجام البلورات المفردة في المواد الصلبة البلورية تختلف اعتمادًا على نوع المادة والظروف التي شكلت فيها،.

3.2. معظم المواد البلورية التي نراها في الحياة اليومية هي مواد متعددة البلورات نظرًا لأن البلورات المفردة معظمها مجهرية وغير قابلة للرؤية بالعين البشرية، لكن أيضًا البلورات المفردة القابلة للرؤية بالعين البشرية يمكن إنتاجها طبيعيًا (مثل الماس) أو صناعيًا. البلورات المشاهدة تحتوي على عيوب أو نشوزات في الانتظام المثالي، وهذه العيوب هي التي تحدد بشكل حاسم الكثير من الخواص الكهربائية والميكانيكية للمواد التي نشاهدها. تشكيلات البلورة يمكن أن يحدث لها اهتزازات.

3.3. هذه الاهتزازات وجد أنها كمية، ووسائط الاهتزازات الكمية أصحبت تعرف بالفوتونات. لذلك الفوتونات تلعب دورًا رئيسيًا كثير من الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة، مثل انتقال الصوت. في المواد الصلبة العازلة، الفوتونات هي الآلية الرئيسية في حدوث العزل الحراري

4. البلوره

4.1. ولكن من النادر أن نعثر على بلورة بشكلها المثالي في الطبيعة لأن البلورات تحتاج ظروفًا مثالية لكي تكبر كما أنه عندما تتشكل بلورات إلى جانب بعضها فإنها تتداخل معًا مشكلةً كتلة ذات معالم غير واضحة

4.1.1. تتكوّن المواد في عالمنا من جسيمات صغيرة جدًا لا نستطيع أن نراها. وتستطيع الجسيمات الّتي تكوّن مادّة ما أن تكون مرتّبة أو بدون ترتيب البلّورة (أو الكريستال) هي مادّة في الحالة الصّلبة تحتوي على ذرّات أو أيونات أو جزيئات منتظمة ومرتّبة بصفوف ونماذج متكرّرة ونشاهد في الطبيعة ظواهر كثيرة تتضمن عملية التبلور، وفي كثير من الأحيان تكون عصورا جيولوجية طويلة قد مضت حتى تتكون، مثل : المعادن الخام والصخور مثل الجرانيت متبلورة بطبيعتها، وكذلك الأحجار الكريمة

4.2. يحدد الترتيب الداخلي للبلورات جميع الخصائص الداخلية و الخارجية للبلورة بما فيها اللون. يتفاعل الضوء بشكل مختلف عن الذرات المختلفة مما يخلق ألوانًا مختلفة.

4.3. معظم البلورات عديمة اللون في حالتها النقية ولكن الشوائب في الترتيب الذري تعطيها لونها. فمثلًا الكوارتز عديم اللون في حالته النقية ولكنه يتواجد بطيف كامل من الألوان التي تتدرج من الزهري إلى البني إلى الأرجواني الداكن بحسب نوع و كمية الشوائب الداخلة في بنيته

4.4. من المواد المعتادة المتبلورة نجد ملح الطعام والسكر والمعادن وحبيبات الثليج، وفلزات مثل الحديد والنحاس والفضة وغيرها. ومن البلورات ما هو مكعب الشكل ( وينتمي إلى نظام بلوري مكعب ) وما هو مستطيل الشكل (وينتمي إلى نظام بلوري رباعي) وغيرها. يسمى العلم الذي يدرس خواص البلورات وأشكالها بعلم البلورات

5. من انواع البلورات

5.1. مادة لا بلورية هي مادة صلبة لا تتوزع فيها الذرات توزيع منتظما على نطاق بعيد، ويكون توزيع الذرات فيها عشوائيا، بمعنى أن توزيع الذرات فيها لا يتبع أي نظام من الأنظمة البلورية. وقد تتسم ببعض النظام على النطاق القصير (حيز 10 - 20 ذرة )، ولهذا تسمى جوامد لا بلورية. مثال على ذلك بنية الزجاج والبوليسترين وكذلك الحلوى. تتصف الجوامد ذات نظام بلوري على النطاق البعيد (أي نظام واحد يشمل البلورة من أولها إلى أخرها) بالبلورات

6. التبلور

6.1. عند تحضير بلّورات السّكّر استخدمنا محلولا مشبعًا، أي محلول بتركيز كافٍ من السّكّر بحيث إن أضفنا المزيد من السّكّر فإنّه لا يذوب في الماء بل يرسب (أي قمنا بإذابة الكمّيّة القصوى من السّكّر في الماء

6.2. نقول إنّ المحلول فوق مشبع إذا كان يحتوي على كمّيّة من المذاب تتعدّى الكمّيّة الموجودة في المحلول المشبع. نستطيع أن نصل إلى درجة فوق الإشباع بواسطة رفع درجة حرارة المحلول: يؤدّي رفع درجة الحرارة إلى رفع قدرة المذيب على إذابة الصّلب، ولذا، فإذا حضّرنا محلولاً مُشبعًا بدرجة حرارة عالية (قريبة من درجة الغليان) ثمّ انخفضت درجة الحرارة يُصبح المحلول فوق مشبع

6.3. تكوّن البلّورات في المحلول يحدث إذا ما أوصلنا المحلول إلى درجة فوق الإشباع وأدخلنا إليه موقع تبلور (نواة تبلور). وجود مواقع التّبلور هذه تجعل المادّة المذابة تتصلّب، وبهذا يمنع الوصول إلى حالة فوق الإشباع (لهذا السّبب علينا أن نسخّن محلول الماء المحلّى بالسّكّر