Қатты дене физикасы - Solid-state physics

Қатты дене физикасы қатаңдықты зерттеу болып табылады зат, немесе қатты заттар сияқты әдістер арқылы жүзеге асырылады кванттық механика, кристаллография, электромагнетизм, және металлургия. Бұл ең үлкен тармағы қоюланған зат физикасы. Қатты дене физикасы қатты материалдардың үлкен масштабтық қасиеттері олардан қалай пайда болатындығын зерттейді атомдық -шкаланың қасиеттері. Сонымен, қатты дене физикасы теориялық негізін құрайды материалтану. Оның тікелей қосымшалары бар, мысалы транзисторлар және жартылай өткізгіштер.

Фон

Қатты материалдар интенсивті өзара әрекеттесетін тығыз оралған атомдардан түзіледі. Бұл өзара әрекеттесулер механикалық (мысалы, қаттылық және серпімділік ), жылу, электрлік, магниттік және оптикалық қатты денелердің қасиеттері. Қатысқан материалға және оның пайда болу шарттарына байланысты атомдар тұрақты, геометриялық түрде орналасуы мүмкін (қатты заттар қамтиды металдар және қарапайым су мұзы ) немесе дұрыс емес (ан аморфты қатты жалпы терезе сияқты шыны ).

Қатты денелер физикасының негізгі бөлігі жалпы теория ретінде бағытталған кристалдар. Бұл, ең алдымен, кезеңділігі атомдар кристалда - оны анықтайтын сипаттама - математикалық модельдеуді жеңілдетеді. Сол сияқты, кристалды материалдар да жиі кездеседі электрлік, магниттік, оптикалық, немесе механикалық пайдалануға болатын қасиеттер инженерлік мақсаттары.

Кристалдағы атомдар арасындағы күштер әртүрлі формада болуы мүмкін. Мысалы, кристаллында натрий хлориді (ас тұзы), кристалдан тұрады иондық натрий және хлор, және бірге өткізілді иондық байланыстар. Басқаларында атомдар бөліседі электрондар және нысаны ковалентті байланыстар. Металдарда электрондар бүкіл кристалда бөлінеді металл байланысы. Сонымен, асыл газдар байланыстырудың осы түрлерінің ешқайсысына ұшырамайды. Қатты күйде асыл газдар бірге ұсталады ван-дер-Ваальс күштері әрбір атомдағы электронды заряд бұлтының поляризациясы нәтижесінде пайда болады. Қатты заттардың арасындағы айырмашылықтар олардың байланысының айырмашылықтарынан туындайды.

Тарих

Қатты денелердің физикалық қасиеттері ғасырлар бойы ғылыми ізденістің жалпы тақырыбы болды, бірақ қатты денелер физикасы деп аталатын жеке сала 1940 жылдарға дейін пайда болған жоқ, атап айтқанда қатты денелер физикасы бөлімі құрылды. ішінде Американдық физикалық қоғам. DSSP өнеркәсіптік физиктерді қамтыды, ал қатты денелер физикасы қатты денелерді зерттеу нәтижесінде мүмкін болатын технологиялық қосымшалармен байланысты болды. 1960 жылдардың басында DSSP американдық физикалық қоғамның ең ірі бөлімі болды.[1][2]

Қатты денелі физиктердің үлкен қауымдастықтары да пайда болды Еуропа кейін Екінші дүниежүзілік соғыс, атап айтқанда Англия, Германия, және кеңес Одағы.[3] Құрама Штаттар мен Еуропада қатты дене жартылай өткізгіштерді, асқын өткізгіштікті, ядролық магниттік резонансты және басқа да құбылыстарды зерттеу арқылы көрнекті өріске айналды. Ерте қырғи қабақ соғыс кезінде қатты денелер физикасындағы зерттеулер көбіне қатты денелермен шектелмеген, бұл 1970-80 жж. Кейбір физиктердің өрісін қоюланған зат физикасы қатты денелерді, сұйықтықтарды, плазмаларды және басқа да күрделі заттарды зерттеу үшін қолданылатын жалпы әдістердің айналасында ұйымдастырылды.[1] Қазіргі кезде қатты денелер физикасы конденсацияланған заттар физикасының кіші саласы болып саналады, оны көбінесе қатты конденсацияланған зат деп атайды, ол тұрақты кристалды торлары бар қатты денелердің қасиеттеріне бағытталған.

Кристалдың құрылымы және қасиеттері

Мысал а текше тор

Материалдардың көптеген қасиеттері оларға әсер етеді кристалдық құрылым. Бұл құрылымды диапазонның көмегімен зерттеуге болады кристаллографиялық әдістері, оның ішінде Рентгендік кристаллография, нейтрондардың дифракциясы және электрондардың дифракциясы.

Кристалды қатты материалдағы жеке кристалдардың мөлшері қатысатын материалға және оның пайда болу жағдайына байланысты өзгеріп отырады. Күнделікті өмірде кездесетін кристалды материалдардың көпшілігі поликристалды, жеке кристалдар масштабы бойынша микроскопиялық, бірақ макроскопиялық жалғыз кристалдар табиғи түрде де өндірілуі мүмкін (мысалы, гауһар тастар ) немесе жасанды түрде.

Нағыз кристалдар ерекшеленеді ақаулар немесе идеалды құрылымдардағы бұзушылықтар, және дәл осы ақаулар нақты материалдардың көптеген электрлік және механикалық қасиеттерін сыни тұрғыдан анықтайды.

Электрондық қасиеттер

Сияқты материалдардың қасиеттері электр өткізгіштігі және жылу сыйымдылығы қатты дене физикасы зерттейді. Электр өткізгіштің алғашқы үлгісі болды Дөрекі модель, ол қолданылды кинетикалық теория дейін электрондар қатты күйінде. Материалда қозғалмайтын оң иондар және классикалық, өзара әрекеттеспейтін электрондардың «электронды газы» бар деп болжай отырып, Друде моделі электрлік және жылу өткізгіштік және Холл эффектісі металдарда, бірақ ол электронды жылу сыйымдылығын өте жоғары бағалады.

Арнольд Соммерфельд классикалық Drude моделін біріктірді кванттық механика ішінде еркін электронды модель (немесе Друд-Соммерфельд моделі). Мұнда электрондар а ретінде модельденеді Ферми газы, кванттық механикалыққа бағынатын бөлшектердің газы Ферми-Дирак статистикасы. Еркін электронды модель металдардың жылу сыйымдылығына болжамдарды жақсартты, алайда ол бар екенін түсіндіре алмады оқшаулағыштар.

The электрондардың еркін моделі бұл әлсіз периодты қамтитын еркін электронды модельдің модификациясы мазасыздық кристалды қатты денеде өткізгіш электрондар мен иондардың өзара әрекеттесуін модельдеуге арналған. Идеясын енгізу арқылы электронды жолақтар, теорияның болуын түсіндіреді өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және оқшаулағыштар.

Электрондардың бос моделі қайтадан жазады Шредингер теңдеуі мерзімді басылым үшін потенциал. Бұл жағдайда шешімдер ретінде белгілі Блох мемлекеттері. Блох теоремасы тек периодтық потенциалдарға ғана қатысты болғандықтан және кристаллдағы атомдардың үздіксіз кездейсоқ қозғалыстары периодтылықты бұзатындықтан, Блох теоремасын қолдану тек жуықтау болып табылады, бірақ ол өте құнды жуықтаулар болып шықты, онсыз қатты денелер физикасы талдау оңай болмас еді. Мерзімділіктен ауытқулар кванттық механикалық әдіспен өңделеді мазасыздық теориясы.

Қазіргі заманғы зерттеулер

Қатты денелер физикасының заманауи зерттеу тақырыптарына мыналар кіреді:

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б Мартин, Джозеф Д. (2015). «Атаудың өзгеруі неде? Қатты дене физикасы, конденсацияланған заттар физикасы және материалтану» (PDF). Перспективадағы физика. 17 (1): 3–32. Бибкод:2015PhP .... 17 .... 3M. дои:10.1007 / s00016-014-0151-7. S2CID  117809375.
  2. ^ Ходдесон, Лилиан; т.б. (1992). Хрустальды лабиринттен: қатты денелер физикасы тараулары. Оксфорд университетінің баспасы. ISBN  9780195053296.
  3. ^ Хофман, Дитер (2013). «Елу жыл Physica Status Solidi тарихи перспективада »тақырыбында өтті. Physica Status Solidi B. 250 (4): 871–887. Бибкод:2013PSSBR.250..871H. дои:10.1002 / pssb.201340126.

Әрі қарай оқу