Физика твердого тела - Solid-state physics

«Теория государства» перенаправляется сюда. Для теорий в политологии см. Государство (полития).

Физика твердого тела изучение жестких дело, или твердые вещества, с помощью таких методов, как квантовая механика, кристаллография, электромагнетизм, и металлургия. Это крупнейшее отделение физика конденсированного состояния. Физика твердого тела изучает, как крупномасштабные свойства твердых материалов являются результатом их атомный -масштабные свойства. Таким образом, физика твердого тела составляет теоретическую основу материаловедение. Он также имеет прямое применение, например, в технологии транзисторы и полупроводники.

Задний план

Твердые материалы образуются из плотно упакованных атомов, которые интенсивно взаимодействуют. Эти взаимодействия производят механическое (например, твердость и эластичность ), тепловой, электрические, магнитный и оптический свойства твердых тел. В зависимости от материала и условий, в которых он был образован, атомы могут быть расположены в правильном геометрическом порядке (кристаллические твердые вещества, который включает в себя металлы и обычные ледяная вода ) или нерегулярно ( аморфное твердое тело например, общее окно стекло ).

Основная часть физики твердого тела как общая теория сосредоточена на кристаллы. В первую очередь потому, что периодичность атомы в кристалле - его определяющая характеристика - облегчает математическое моделирование. Точно так же кристаллические материалы часто имеют электрические, магнитный, оптический, или механический свойства, которые могут быть использованы для инженерное дело целей.

Силы между атомами в кристалле могут принимать самые разные формы. Например, в кристалле хлорид натрия (поваренная соль) кристалл состоит из ионный натрий и хлор, и держится вместе с ионные связи. В других атомы разделяют электроны и форма ковалентные связи. В металлах электроны распределяются между всем кристаллом в металлическое соединение. Наконец, благородные газы не подвергаются ни одному из этих типов связывания. В твердой форме благородные газы удерживаются вместе с силы 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

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 пределах Американское физическое общество. 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]

Большие сообщества физиков твердого тела также возникли в Европа после Вторая Мировая Война, в частности в Англия, Германия, а Советский Союз.[3] В Соединенных Штатах и ​​Европе твердое тело стало заметной областью благодаря исследованиям полупроводников, сверхпроводимости, ядерного магнитного резонанса и других разнообразных 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 годах к открытию области физики твердого тела. физика конденсированного состояния, который организован вокруг общих методов, используемых для исследования твердых тел, жидкостей, плазмы и других сложных веществ.[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

Пример кубическая решетка

Многие свойства материалов зависят от их Кристальная структура. Эту структуру можно исследовать с помощью ряда кристаллографический методы, в том числе Рентгеновская кристаллография, нейтронная дифракция и электронная дифракция.

Размеры отдельных кристаллов в твердом кристаллическом материале различаются в зависимости от материала и условий его образования. Большинство кристаллических материалов, встречающихся в повседневной жизни, - это поликристаллический, при этом отдельные кристаллы имеют микроскопические масштабы, но макроскопические монокристаллы может производиться либо естественным путем (например, бриллианты ) или искусственно.

Особенность настоящих кристаллов дефекты или неровности в идеальном расположении, и именно эти дефекты критически определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов.

Электронные свойства

Свойства таких материалов как электрическая проводимость и теплоемкость исследуются физикой твердого тела. Ранней моделью электропроводности был Модель Друде, который применил кинетическая теория к электроны в твердом состоянии. Предполагая, что материал содержит неподвижные положительные ионы и «электронный газ» классических невзаимодействующих электронов, модель Друде смогла объяснить электрические и теплопроводность и эффект Холла в металлах, хотя и сильно завышал электронную теплоемкость.

Арнольд Зоммерфельд сочетали классическую модель Друде с квантовая механика в модель свободных электронов (или модель Друде-Зоммерфельда). Здесь электроны моделируются как Ферми газ, газ частиц, которые подчиняются квантово-механической Статистика Ферми – Дирака. Модель свободных электронов дала улучшенные предсказания теплоемкости металлов, однако она не смогла объяснить существование изоляторы.

В модель почти свободных электронов представляет собой модификацию модели свободных электронов, которая включает слабый периодический возмущение предназначен для моделирования взаимодействия между электронами проводимости и ионами в кристаллическом твердом теле. Представляя идею электронные группы, теория объясняет существование проводники, полупроводники и изоляторы.

Модель почти свободных электронов переписывает Уравнение Шредингера для случая периодического потенциал. Решения в этом случае известны как Блох заявляет. 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 квантово-механическими методами. теория возмущений.

Современные исследования

Современные темы исследований в области физики твердого тела включают:

Смотрите также

использованная литература

  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:2015ФП .... 17 .... 3М. Дои:10.1007 / s00016-014-0151-7. S2CID  117809375.
  2. ^ Ходдесон, 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 ». Физика Статус Solidi B. 250 (4): 871–887. Bibcode:2013PSSBR.250..871H. Дои:10.1002 / pssb.201340126.

дальнейшее чтение

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