در پست قبلی یک رابطه معرفی کردم که تعداد اتمهای یک ذره کروی را به شعاع ذره مربوط میکرد. در این رابطه مقدار ثابتی وجود داره (a) که در این پست میخوام این مقدار را محاسبه کنم. قبل از محاسبه کمی باید در مورد چیدمان اتمها در ماده توضیح بدم.
نخست اینکه همونطور که همه میدونیم در فیزیک کلاسیک اتمها را به صورت کره فرض میکنند. بنابراین وقتی اتمها کنار هم قرار میگیرند حتمن فضای خالی بین آنها وجود خواهد داشت. به عبارت دیگر، کره یه حجم فضاپرکن نیست. (به این ترتیب چگالی مواد علاوه بر جرم اتمهای سازندهاش به مقدار فضای خالی بین اتمها هم بستگی داره.)
دوم اینکه طبق محاسبات براووه نقاط هندسی تنها به 14 صورت میتوانند تشکیل یه ساختار فضایی تکرارپذیر بدهندکه به آنها "شبکه براووه" میگن. معروفترین آنها سه شبکه مکعبی (cubic) و یک شبکه شش گوشه (hexagonal) هستند که اغلب عناصر خالص در این شبکه ها به صورت جامد هستند. "شبکه واحد" هم کوچکترین واحد ممکنه که به عنوان معرف شبکه نشان داده میشه.
با استفاده از این دو نکته برای هر شبکه براووه یه عدد به دست میاد که "چگالی شبکه" (A) هست (مستقل از نوع ماده). این عدد مشخص میکنه که فشردگی ساختار چقدره. این عدد برابر است با حجم کل اتمهای موجود در یک شبکه واحد به حجم کل شبکه واحد.
بنابراین رابطه بین حجم کل یه جسم (در اینجا ذره کره) و حجم یک اتم به شکل زیر به هم مربوط میشن:
چگالی شبکه* تعداد اتمها *حجم یک اتم = حجم کل جسم کروی
یا
(4/3π) r^3 = (4/3π) r0^3 * n * A
که r0 شعاع اتم هست. اگه این رابطه را با رابطه ای که در پست قبلی هست مقایسه کنیم مقدار ثابت a برابر است با:
a = r0^3 * A
بنابراین این ثابت برای مواد مختلف متفاوت خواهد بود. مقدار A در بسیاری از منابع بلورشناسی ذکر شده و مقدار آن حداکثر 0.741 هست. این مقدار مربوط به وقتی هست که اتمها در کنار هم به راحتی قرار بگیرند. مثل توپهای حوض پر از توپ که توی پارکها برای بازی بچه ها هست. برای آهن من با فرض اینکه r برحسب نانومتر باشه a را به دست آوردم: 0.00136025568 . آهن در دماهای متفاوت در دو شبکه متفاوت شکل می گیره. که من این عدد را برای شبکه مکعبی مرکزدار به دست آوردم. کسی می دونه مقدار چگالی شبکه برای مکعبی مرکز دار چقدره؟
چندتا اتم میشه یک نانومتر؟ قطر اتمهای آهن 2.52 آنگسترومه، پس 4 تا اتم آهن پشت سر هم که باشن یه خط بلندتر از یک نانومتر درست میشه. خوب حالا به نظرتون چندتا اتم لازمه تا یک کره 100 نانومتری شکل بگیره؟ ... یه تخمین بزنین... 200 تا؟ 400 تا؟ 1000تا؟
محاسبه این عدد آسونه. برای ساختن این کره کوچک بیش از 5300000 اتم آهن لازمه! این عدد بزرگ به خاطر رابطه توان سوم شعاع و تعداد ذرات هست:
r^3=a.n
که r شعاع ذره و n تعداد اتم هاست و a یه ثابته.
این افزایش جادویی راز بزرگ دنیای نانو هستش. وقتی با اندازه های کوچک سروکار داریم نسبت اتمهای سطحی به کل اتمها به طور فزاینده ای افزایش پیدا میکنه. این چیز عجیبی نیست اما توجه کنید که نرخ این تغییر خطی نیست.
خوب حالا کسی میدونه که ثابت a مقدارش چقدره؟
یک قطعه ژاپنی ترجمه احمد شاملو را خیلی دوست دارم:
هیچ یک سخنی نگفتند،
نه میهمان و نه میزبان
و نه گل های داوودی