Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Теория государства» перенаправляется сюда. Для теорий в политологии см Государство (полития) .

Физика твердого тела - это изучение твердой материи , или твердых тел , с помощью таких методов, как квантовая механика , кристаллография , электромагнетизм и металлургия . Это крупнейший раздел физики конденсированного состояния . Физика твердого тела изучает, как крупномасштабные свойства твердых материалов являются результатом их свойств на атомном уровне. Таким образом, физика твердого тела составляет теоретическую основу материаловедения . Он также имеет прямое применение, например, в технологии транзисторов и полупроводников .

Фон [ править ]

Твердые материалы образуются из плотно упакованных атомов, которые интенсивно взаимодействуют. Эти взаимодействия определяют механические (например, твердость и эластичность ), тепловые , электрические , магнитные и оптические свойства твердых тел. В зависимости от задействованного материала и условий, в которых он был образован, атомы могут быть расположены в правильном геометрическом узоре ( кристаллические твердые тела , которые включают металлы и обычный водяной лед ) или нерегулярно ( аморфное твердое тело, такое как обычное оконное стекло ).

Основная часть физики твердого тела, как общая теория, сосредоточена на кристаллах . В первую очередь потому, что периодичность атомов в кристалле - ее определяющая характеристика - облегчает математическое моделирование. Точно так же кристаллические материалы часто обладают электрическими , магнитными , оптическими или механическими свойствами, которые можно использовать в инженерных целях.

Силы между атомами в кристалле могут принимать самые разные формы. Например, в кристалле хлорида натрия (поваренной соли) кристалл состоит из ионного натрия и хлора и удерживается вместе ионными связями . В других атомы разделяют электроны и образуют ковалентные связи . В металлах электроны распределяются по всему кристаллу посредством металлической связи . Наконец, благородные газы не подвергаются ни одному из этих типов связывания. В твердой форме благородные газы удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса.в результате поляризации облака электронного заряда на каждом атоме. Различия между типами твердых тел возникают из-за различий в их сцеплении.

История [ править ]

Физические свойства твердых тел были обычным предметом научных исследований на протяжении веков, но отдельная область, получившая название физика твердого тела, не возникла до 1940-х годов, в частности, с созданием Отдела физики твердого тела (DSSP). в Американском физическом обществе . DSSP обслуживала промышленных физиков, а физика твердого тела стала ассоциироваться с технологическими приложениями, которые стали возможными благодаря исследованиям твердых тел. К началу 1960-х DSSP было крупнейшим подразделением Американского физического общества. [1] [2]

Крупные сообщества физиков твердого тела также возникли в Европе после Второй мировой войны , особенно в Англии , Германии и Советском Союзе . [3] В Соединенных Штатах и ​​Европе твердое тело стало заметной областью исследований благодаря исследованиям полупроводников, сверхпроводимости, ядерного магнитного резонанса и различных других явлений. В начале холодной войны исследования в области физики твердого тела часто не ограничивались твердыми телами, что привело некоторых физиков в 1970-х и 1980-х к основанию области физики конденсированного состояния , которая организовывалась вокруг общих методов, используемых для исследования твердых тел, жидкостей, плазмы и т. Д. и другое сложное дело. [1] Сегодня физика твердого тела широко считается разделом физики конденсированного состояния, часто называемым твердым конденсированным веществом, которое фокусируется на свойствах твердых тел с регулярной кристаллической решеткой.

Кристаллическая структура и свойства [ править ]

Пример кубической решетки

На многие свойства материалов влияет их кристаллическая структура . Эта структура может быть исследована с использованием ряда кристаллографических методов, в том числе и рентгеновской кристаллографии , нейтронная дифракция и дифракции электронов .

Размеры отдельных кристаллов в твердом кристаллическом материале различаются в зависимости от материала и условий его образования. Большинство кристаллических материалов, встречающихся в повседневной жизни, являются поликристаллическими , при этом отдельные кристаллы имеют микроскопические размеры, но макроскопические монокристаллы могут быть получены либо естественным путем (например, алмазы ), либо искусственно.

Настоящие кристаллы имеют дефекты или неровности идеального расположения, и именно эти дефекты критически определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов.

Электронные свойства [ править ]

Свойства материалов, такие как электрическая проводимость и теплоемкость , исследуются физикой твердого тела. Ранней моделью электропроводности была модель Друде , в которой кинетическая теория применялась к электронам в твердом теле. Предполагая, что материал содержит неподвижные положительные ионы и «электронный газ» из классических невзаимодействующих электронов, модель Друде смогла объяснить электрическую и теплопроводность, а также эффект Холла в металлах, хотя она сильно переоценила электронную теплоемкость.

Арнольд Зоммерфельд объединил классическую модель Друде с квантовой механикой в модели свободных электронов (или модели Друде-Зоммерфельда). Здесь электроны моделируются как ферми-газ , газ частиц, которые подчиняются квантово-механической статистике Ферми – Дирака . Модель свободных электронов дала улучшенные предсказания теплоемкости металлов, однако не могла объяснить существование изоляторов .

Модель почти свободных электронов - это модификация модели свободных электронов, которая включает слабое периодическое возмущение, предназначенное для моделирования взаимодействия между электронами проводимости и ионами в кристаллическом твердом теле. Представляя идею электронных зон , теория объясняет существование проводников , полупроводников и изоляторов.

Модель почти свободных электронов переписывает уравнение Шредингера для случая периодического потенциала . Решения в этом случае известны как состояния Блоха . Поскольку теорема Блоха применима только к периодическим потенциалам и поскольку непрерывные случайные движения атомов в кристалле нарушают периодичность, такое использование теоремы Блоха является лишь приближением, но оказалось чрезвычайно ценным приближением, без которого большинство физиков твердого тела анализ был бы непреодолимым. Отклонения от периодичности рассматриваются с помощью квантово-механической теории возмущений .

Современные исследования [ править ]

Современные темы исследований в области физики твердого тела включают:

  • Высокотемпературная сверхпроводимость
  • Квазикристаллы
  • Спин-стакан
  • Сильно коррелированные материалы
  • Двумерные материалы
  • Наноматериалы

См. Также [ править ]

  • Физика конденсированного состояния
  • Кристаллография
  • Ядерная спектроскопия

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Мартин, Джозеф Д. (2015). «Что в изменении названия? Физика твердого тела, физика конденсированного состояния и материаловедение» (PDF) . Физика в перспективе . 17 (1): 3–32. Bibcode : 2015PhP .... 17 .... 3M . DOI : 10.1007 / s00016-014-0151-7 . S2CID  117809375 .
  2. ^ Ходдсон, Лилиан; и другие. (1992). Из кристаллического лабиринта: главы из истории физики твердого тела . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780195053296.
  3. ^ Хоффманн, Дитер (2013). «Пятьдесят лет Physica Status Solidi в исторической перспективе». Physica Status Solidi B . 250 (4): 871–887. Bibcode : 2013PSSBR.250..871H . DOI : 10.1002 / pssb.201340126 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Нил У. Эшкрофт и Н. Дэвид Мермин , физики твердого тела (Харкорт: Orlando, 1976).
  • Чарльз Киттель , Введение в физику твердого тела (Wiley: New York, 2004).
  • Розенберг, Твердое состояние (издательство Оксфордского университета: Оксфорд, 1995).
  • Стивен Х. Саймон , Основы твердого тела Оксфорда (Oxford University Press: Oxford, 2013).
  • Из Кристального лабиринта. Главы из истории физики твердого тела / Под ред. Лилиан Ходдсон, Эрнест Браун, Юрген Тайхманн, Спенсер Варт (Oxford: Oxford University Press, 1992).
  • М.А. Омар, Элементарная физика твердого тела (исправленное издание, Addison-Wesley, 1993).
  • Хофманн, Филипп (26 мая 2015 г.). Физика твердого тела (2-е изд.). Wiley-VCH. ISBN 978-3527412822.