திட பொருள்கள் (Solid State Physics) - முழுமையான பாடக்குறிப்புகள்

இயற்பியலின் மிக முக்கியமான பிரிவுகளில் ஒன்று திடப்பொருள் இயற்பியல் ஆகும். நம்மைச் சுற்றியுள்ள பெரும்பாலான பொருட்கள் திட நிலையில் உள்ளன. ஒரு பொருளின் திடத்தன்மை, அதன் அணுக்களின் அமைப்பு மற்றும் பிணைப்புகளைப் பொறுத்தே அமைகிறது. இந்த அத்தியாயத்தில் திடப்பொருள்களின் வகைப்பாடு, படிக அமைப்பு மற்றும் அவற்றின் பண்புகள் குறித்து விரிவாகக் காண்போம்.

1. திடப்பொருள்களின் அடிப்படை அறிமுகம்

திடப்பொருள்கள் என்பவை நிலையான வடிவம் மற்றும் கனஅளவு கொண்ட பருப்பொருள்கள் ஆகும். இவற்றில் அணுக்கள், மூலக்கூறுகள் அல்லது அயனிகள் மிக நெருக்கமாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. இவை நகர முடியாது, ஆனால் தங்கள் நிலையிலிருந்து மிகச் சிறிய அளவில் அதிர்வு (Vibration) அடைய முடியும்.

திடப்பொருள்களின் சிறப்பியல்புகள்:

• இவை குறிப்பிட்ட வடிவம் மற்றும் நிலையான கனஅளவு கொண்டவை.
• இவற்றின் அணுக்களுக்கிடையேயான ஈர்ப்பு விசை மிக அதிகம்.
• இவற்றின் அமுக்கத்தன்மை (Compressibility) மிகக் குறைவு.
• உருகுநிலை மற்றும் கொதிநிலை மற்ற நிலைகளை விட அதிகமாக இருக்கும்.

2. படிக திடப்பொருள்கள் (Crystalline Solids)

படிக திடப்பொருள்கள் என்பவை அணுக்கள் அல்லது மூலக்கூறுகள் ஒரு குறிப்பிட்ட ஒழுங்கான வரிசையில் நீண்ட தூரம் வரை அமைந்திருக்கும் பொருள்களாகும். இவை 'நீண்ட தூர வரிசை' (Long-range order) கொண்டவை.

படிகங்களின் முக்கியப் பண்புகள்:

1. அனிசோட்ரோபி (Anisotropy): படிகத்தின் வெவ்வேறு திசைகளில் இயற்பியல் பண்புகள் (ஒளிவிலகல், வெப்பக் கடத்துத்திறன்) வெவ்வேறாக இருக்கும்.
2. உருகுநிலை: இவை ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் திடீரென உருகும்.
3. பிளவு பண்பு: கத்தியால் வெட்டும்போது, இவை மென்மையான மேற்பரப்பை உருவாக்கும்.

3. படிகமற்ற திடப்பொருள்கள் (Amorphous Solids)

இவை 'போலி திடப்பொருள்கள்' (Pseudo solids) அல்லது 'சூப்பர் கூல்டு திரவங்கள்' (Super-cooled liquids) என்று அழைக்கப்படுகின்றன. இவற்றில் அணுக்கள் ஒழுங்கற்ற நிலையில் இருக்கும். இவற்றுக்கு நீண்ட தூர வரிசை கிடையாது.

4. படிக அணிக்கோவை மற்றும் அலகு செல் (Crystal Lattice & Unit Cell)

ஒரு படிகத்தின் மிகச்சிறிய மீண்டும் மீண்டும் வரும் அமைப்பு 'அலகு செல்' (Unit Cell) எனப்படும். இந்த அலகு செல்கள் முப்பரிமாணத்தில் மீண்டும் மீண்டும் அடுக்குவதன் மூலம் ஒரு முழுமையான படிகம் உருவாகிறது.

அலகு செல்லின் வகைகள்:

• எளிய கனசதுர அலகு செல் (Simple Cubic - SC): அணுக்கள் மூலைகளில் மட்டும் இருக்கும்.
• மையப்படுத்தப்பட்ட கனசதுர அலகு செல் (Body Centered Cubic - BCC): மூலைகளுடன் மையத்திலும் ஒரு அணு இருக்கும்.
• முகப்பு மையப்படுத்தப்பட்ட அலகு செல் (Face Centered Cubic - FCC): மூலைகளுடன் ஒவ்வொரு முகத்தின் மையத்திலும் அணுக்கள் இருக்கும்.

5. படிகங்களில் உள்ள குறைபாடுகள் (Crystal Defects)

படிகங்கள் எப்போதும் முழுமையானவை அல்ல. வெப்பம் அல்லது மாசு காரணமாக அணுக்களின் அமைப்பில் மாற்றங்கள் ஏற்படுகின்றன. இவற்றை 'படிகக் குறைபாடுகள்' என்கிறோம்.

குறைபாடுகளின் வகைகள்:

1. பாயிண்ட் டிஃபெக்ட் (Point Defect): ஒரு குறிப்பிட்ட அணுவின் இடத்தில் ஏற்படும் குறைபாடு.
2. ஸ்காட்கி குறைபாடு (Schottky Defect): சமமான எண்ணிக்கையிலான நேர்மின் மற்றும் எதிர்மின் அயனிகள் விடுபடுதல். இது அடர்த்தியைக் குறைக்கும் (எ.கா: NaCl).
3. பிரங்கல் குறைபாடு (Frenkel Defect): ஒரு அயனி அதன் இடத்திலிருந்து நகர்ந்து இடைவெளியில் தங்குதல். இது அடர்த்தியை மாற்றாது (எ.கா: AgCl).

6. திடப்பொருள்களின் மின் பண்புகள்

மின்சாரத்தை கடத்தும் திறனைப் பொறுத்து திடப்பொருள்கள் மூன்றாகப் பிரிக்கப்படுகின்றன:

அ) கடத்திகள் (Conductors):

இவற்றில் மின்சாரம் எளிதாகப் பாயும். எலக்ட்ரான்கள் சுதந்திரமாக இயங்க முடியும். (எ.கா: தாமிரம், இரும்பு).

ஆ) கடத்தாப் பொருள்கள் (Insulators):

இவற்றில் எலக்ட்ரான்கள் பிணைக்கப்பட்டிருப்பதால் மின்சாரம் பாயாது. (எ.கா: மரம், பிளாஸ்டிக், கண்ணாடி).

இ) குறைகடத்திகள் (Semiconductors):

இவற்றின் கடத்துத்திறன் கடத்தி மற்றும் கடத்தாப் பொருளுக்கு இடையில் இருக்கும். வெப்பநிலையை அதிகரிக்கும்போது இவற்றின் கடத்துத்திறன் அதிகரிக்கும். (எ.கா: சிலிக்கான், ஜெர்மானியம்).

7. காந்தப் பண்புகள்

எலக்ட்ரான்களின் சுழற்சியைப் பொறுத்து திடப்பொருள்களின் காந்தப் பண்புகள் தீர்மானிக்கப்படுகின்றன:

• டயாகாந்தப் பொருள்கள்: காந்தப்புலத்தால் விலக்கப்படுபவை.
• பாராகாந்தப் பொருள்கள்: காந்தப்புலத்தால் ஈர்க்கப்படுபவை.
• பெரோகாந்தப் பொருள்கள்: காந்தப்புலத்தை நீக்கினாலும் காந்தத்தன்மையை தக்கவைத்துக் கொள்பவை (எ.கா: இரும்பு, கோபால்ட்).

8. திடப்பொருள்களின் அன்றாட பயன்பாடுகள்

நமது அன்றாட வாழ்வில் திடப்பொருள்களின் பங்கு அளப்பரியது. சிலிக்கான் சில்லுகள் (Silicon Chips) கணினிகளில் பயன்படுகின்றன. சூப்பர் கண்டக்டர்கள் (Superconductors) அதிவேக ரயில்களிலும் (Maglev trains) மருத்துவ இமேஜிங் கருவிகளிலும் (MRI) பயன்படுகின்றன. பீசோ-எலக்ட்ரிக் படிகங்கள் கடிகாரங்களிலும், சென்சார்களிலும் பயன்படுகின்றன.

9. தேர்வு நோக்கில் முக்கிய வினாக்கள் மற்றும் குறிப்புகள்

போட்டித் தேர்வுகளில் 'ஸ்காட்கி மற்றும் பிரங்கல்' குறைபாடுகளுக்கு இடையே உள்ள வேறுபாடு அடிக்கடி கேட்கப்படுகிறது. அதேபோல, எளிய கனசதுர அமைப்பில் அணுக்களின் பங்களிப்பு (8 x 1/8 = 1 அணு) போன்ற அடிப்படை கணக்கீடுகளைத் தெரிந்து வைத்திருப்பது அவசியம்.

திடப்பொருள்கள் குறித்த இந்த விரிவான புரிதல், இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் சார்ந்த வினாக்களுக்கு விடையளிக்க உங்களுக்கு உறுதுணையாக இருக்கும். ஒவ்வொரு வகைப்பாட்டையும் அதன் பண்புகளோடு ஒப்பிட்டுப் படிப்பதன் மூலம் தேர்வில் அதிக மதிப்பெண்களைப் பெற முடியும்.