Физика на твърдото тяло
Физика на твърдото тяло, раздел физика изучаване на структурата и свойствата на твърдите частици. Научните данни за микроструктурата на твърди частици и физическите и химическите свойства на съставните си атоми са необходими за разработването на нови материали и технически средства.
Физика на твърдото тяло - един от стълбовете, на които се основава съвременната технологична общество. Всъщност, цялата армия от инженери, които работят по-доброто използване на твърди материали в проектирането и производството на широка гама от инструменти, машини, механични и електронни компоненти, които са необходими в области като комуникации, транспорт, компютърна техника, както и фундаменталните научни изследвания.
Изследователите, работещи в областта на физиката на твърдото тяло, материали, представляващи интерес, като например метали, сплави, полупроводници, диелектрични и магнитни материали. Много от тях се отнасят до кристални вещества: техните атоми са подредени така, че да образуват правилната триизмерна решетка - периодична структура. Нарушения идеално периодичност могат да бъдат причинени от химически примеси, незапълнени (свободно) атомни единици, интерстициални атоми (в интервалите между възли) и размествания. В много случаи, такива нарушения или отклонения от строг периодичност същество определят от физичните свойства на кристални твърди вещества. Чрез контролиране на концентрацията на такива дефекти или нарочно създаване на тях, може да се получи предварително зададено "" свойства на твърди вещества. Тази технология играе основна роля, например в областта на полупроводниковите микроелектроника. Друг клас материали, представляващи интерес в физика на твърдото тяло, - стъклено или аморфни материали. Атомите в такива материали са най-общо същите като в течности, т.е. те са разположени само в границите на няколко interatomic разстояния от всеки атом получено в центъра. С други думи, за типичен стъкло-гама ред в атомната конструкция не далечен като в кристалната структура. . Виж също кристал; Полупроводникови електронни устройства.
Свойства на твърди вещества
Физичните свойства на твърди вещества са механични, термични, електрически, магнитни и оптични свойства. Те се изследват чрез наблюдаване на поведението на пробата при промяна на температурата, обем или налягане, в условията на механично напрежение, електрически и магнитни полета, температурни градиенти, както и под влиянието на различните лъчения - светлина, рентгенови лъчи, електронни лъчи, неутрони и т.н. ,
Значителна част от лабораторното оборудване, необходимо, за да научите тези свойства, се състои от твърди устройства. Химичните свойства на твърди вещества са особено важни в изследването на повърхностни явления. . Вижте също ХИМИЯ; Химия на повърхността явления.
Структура.
Твърдият тяло се състои от атоми. Самото му съществуване, показва наличието на интензивни атракция сили, които се свързват атоми заедно и сили на отблъскване между атомите, без които няма да има никакви пролуки. В резултат на тези взаимодействия Твърди атоми частично губят своите индивидуални свойства и това обяснява нови, колективни свойства на системата от атоми, която се нарича твърдо вещество.
Какво е естеството на тези сили? Безплатна атом състои от положително заредени сърцевина и брой на отрицателно заредени електрони (маса значително по-малко тегло на ядрото). Добре известни Кулон (електрически) сили, действащи между заредени частици, създават привличане между ядрото и електроните, както и взаимното отблъскване между електрони. Поради това, твърдото вещество може да се счита, състояща се от система от взаимно отблъскват ядра и система от взаимно отблъскват електроните, и двете от тези системи са привлечени един към друг. Физични свойства на обекта се определя от два основни физически теории - квантовата механика и статистическата механика. Въпреки че естеството на взаимодействията между частиците е известно, изключително голям броят им (
22 октомври ядра и повече на електроните в 1 cm 3), не дават точно описание на теоретичната твърдото вещество. . Виж също структурата на атома; Електричество и магнетизъм; Квантовата механика; Статистическата механика.
Използването на модели.
В физика на твърдото тяло обикновено вземат опростената твърд модел на тялото, а след това се подлага на изчисляване на техните физични свойства. Модели трябва да са достатъчно прости, за да призная, на теоретично описание, и в същото време комплексът е достатъчно, за да се гарантира, че те са проучили свойства. Например, за обяснение на някои общи закони на електропроводимостта е доста подходящ метал прост модел като система на положителни йони вградени в газа се движат електрони. Но това беше изключително трудно да се изгради подходяща физическа модел, който позволи най-малко качествена обяснение на явлението свръхпроводимост, открита през 1911 г. от холандския физик Камерлинг Онес.
Свръхпроводимост.
Известно е, че при по-ниски температури много метали и сплави необичайно повишена способност за провеждане на ток. (Електрически ток е подреден електронна движение.)
През 1956 г. американският физик L.Kuper до заключението, че при определени условия на електроните на проводимост в метала може да образува слабо свързани двойки. Именно тези Cooper двойки са в основата на известната теория на свръхпроводимост Бардийн - Cooper - Schrieffer (BCS), построен през 1957; през 1972 г. на трима американски физици бяха наградени с Нобелова награда.
В състояние на свръхпроводящи веществото не разполага с устойчивост на електрически ток. Ето защо, свръхпроводящ материал са от голям интерес за енергетиката, която се изчисляват с тяхна помощ, например, да се предават електрически ток на дълги разстояния без термични и други загуби. Въпреки това, над определена (така наречената критична) свръхпроводимост изчезва и се появява метал електрическо съпротивление. При определени условия, свръхпроводимост се унищожава като магнитно поле. Електрическият ток минаващ през свръхпроводника създава на повърхността на собственото си магнитно поле, и затова има горна граница на свръхпроводящи плътност на тока, над който свръхпроводимост е унищожена също. Всичко това, и особено ниска критична температура, ограничава способността на мащабни приложения на свръхпроводници. Свръхпроводници трябва непрекъснато да се охлажда с течен водород и течен хелий е дори по-добре. Въпреки това, свръхпроводящ навиване (например, титан-ниобий сплави) са намерили широко приложение в електромагнитите. Търсенето продължава за нови материали (включително кристали и органични полимери) с по-висока критични температури, както и допълнителни възможности за прилагане на свръхпроводници. Експертите се надяват, че широко разпространеното използване на свръхпроводници в двигатели и генератори за промишленото производство ще започне през следващите няколко години. Особено впечатляващи възможности обещава прилагане на свръхпроводници в железопътния транспорт. При преместване на магнит спрямо проводника в проводник индуцира вихрови токове, които от своя страна генерира магнитно поле, преместване магнит отблъскване на. Като доставени, например, влак и магнит свръхпроводящ използване релсата като ръководство, е възможно да се постигне ефект на магнитното окачване (повдигане). Такова Maglev влак трябва да се смята, че има няколко предимства пред конвенционалните влакове и въздушна възглавница. Cm. И свръхпроводимост.
Свързани статии