Plik fizyka ciała stałego jest działem fizyki zajmującym się badaniem materii w stanie niskiego zużycia energii, tzw stan stały, wykorzystując teorie fizyczne, takie jak mechanika kwantowa, fizyka statystyczna, termodynamika, elektromagnetyzm i krystalografia.
W stanie stałym energia przyciągania międzycząsteczkowego jest mniejsza niż energia cieplna, dlatego cząsteczki prawie nie mogą wibrować wokół mniej lub bardziej ustalonych pozycji. Niektóre ciała stałe są amorficzne na poziomie molekularnym, podczas gdy inne mają bardziej uporządkowaną strukturę, na przykład kryształy..
Niektóre przykłady materiałów stałych to piasek kwarcowy, szkło, grafit (węgiel mineralny), sól kuchenna, cukier rafinowany, żelazo, miedź, magnetyt, kwarc i wiele innych.
Indeks artykułów
Materiały stałe mają tę główną cechę, że w normalnych warunkach, to znaczy jeśli nie są poddawane dużym naprężeniom zewnętrznym, zachowują swoją objętość i kształt..
Kontrastuje to z płynami, które choć potrafią zachować swoją objętość, zmieniają swój kształt dostosowując się do pojemnika, w którym się znajdują. Kontrast jest jeszcze większy w przypadku gazów, ponieważ można je kompresować lub rozszerzać, zmieniając ich objętość i kształt..
Jednak ciała stałe mogą zmieniać swoją objętość, gdy są poddawane zmianom temperatury dostatecznie szerokim, aby wywołać znaczące skutki, ale bez przejścia fazowego w inny stan skupienia..
Substancje stałe mogą być bezpostaciowe w swojej wewnętrznej strukturze molekularnej. Na przykład szkło jest materiałem bezpostaciowym, przez wielu uważanym nawet za przechłodzoną ciecz. Jednak kwarc i diament mają strukturę krystaliczną, to znaczy ich atomy mają regularne i okresowe układy przestrzenne..
Fizyka ciała stałego bada związek między właściwościami w skali makroskopowej (tysiące lub miliony razy większe niż w skali atomowej) a właściwościami w skali molekularnej lub atomowej..
W ciele atomy są bardzo blisko siebie, a wzajemne oddziaływanie między nimi determinuje ich właściwości w skali makro, takie jak właściwości mechaniczne: sztywność i ciągliwość, a także właściwości termiczne, magnetyczne, optyczne i elektryczne..
Na przykład przewodnictwo, pojemność cieplna i namagnesowanie to makroskopowe właściwości ciał stałych, które zależą bezpośrednio od tego, co dzieje się w skali molekularnej lub atomowej..
Wyraźnym przykładem znaczenia fizyki ciała stałego są półprzewodniki. Poznanie ich właściwości na poziomie mikroskopowym umożliwia rozwój takich urządzeń, jak tranzystory, diody, układy scalone i diody LED, by wymienić tylko kilka zastosowań..
W zależności od warunków ciśnieniowych i temperaturowych oraz procesów zachodzących podczas ich powstawania, ciała stałe uzyskują określoną mikroskopijną strukturę..
Na przykład materiały tak odmienne jak grafit i diament składają się wyłącznie z atomów węgla. Ale ich właściwości są zupełnie inne, ponieważ pomimo tego, że składają się z tego samego typu atomów, ich mikroskopijne struktury ogromnie się różnią..
Specjaliści metalurgii wiedzą, że wychodząc z tego samego materiału, przy różnej obróbce cieplnej, uzyskuje się bardzo różne wyniki przy wytwarzaniu elementów, takich jak noże i miecze. Różne zabiegi prowadzą do różnych struktur mikroskopowych.
W zależności od ich powstawania, ciała stałe mogą zasadniczo przedstawiać trzy rodzaje mikroskopijnych struktur:
Fizyka ciała stałego opiera się na podstawowych zasadach wyjaśniających właściwości materiałów stałych, takie jak przewodność cieplna i przewodność elektryczna..
Na przykład, stosując teorię kinetyczną do swobodnych elektronów w metalu, traktuje się je tak, jakby były gazem..
Zakładając, że jony tworzą nieruchome podłoże, można wyjaśnić zarówno przewodnictwo elektryczne, jak i przewodnictwo cieplne metali. Chociaż w klasycznej wersji tego modelu przewodność cieplna wolnych elektronów jest większa niż uzyskana z pomiarów w materiałach przewodzących..
Wadę rozwiązuje się poprzez wprowadzenie poprawek kwantowych do modelu swobodnych elektronów przewodzącej substancji stałej. Ponadto, jeśli zakłada się, że są one zgodne ze statystyką Fermi-Diraca, wówczas przewidywania teoretyczne zgadzają się dokładniej z pomiarami eksperymentalnymi..
Jednak model swobodnych elektronów nie może wyjaśnić przewodnictwa cieplnego ciał stałych innych niż metale..
W tym przypadku należy wziąć pod uwagę interakcję elektronów z siecią krystaliczną, którą modeluje okresowy potencjał w równaniu Schrodingera. Model ten przewiduje zależne od energii pasma przewodzenia elektronów i wyjaśnia przewodnictwo elektryczne w ciałach stałych półprzewodnikowych, typie stałego pośredniego między izolatorem a metalem przewodzącym..
Fizyka ciała stałego rozwinęła się do tego stopnia, że umożliwiła odkrycie nowych materiałów, takich jak stałe nanomateriały o wyjątkowych i niezwykłych właściwościach.
Innym przykładem postępu w fizyce ciała stałego jest rozwój materiałów dwuwymiarowych lub jednowarstwowych, a następnie różnorodne zastosowania, takie jak ogniwa fotowoltaiczne i rozwój półprzewodnikowych układów scalonych..
Klasycznym przykładem dwuwymiarowego materiału jest grafen, który jest niczym innym jak jednowarstwowym grafitem i który po raz pierwszy uzyskano w 2004 roku.
Inne przykłady dwuwymiarowych ciał stałych to: fosforen, plumben, silicen i germacen.
Nadprzewodnictwo zostało odkryte w 1911 roku przez Holendra Kamerlingha Onnesa (1853-1926), kiedy poddał materiały przewodzące, takie jak rtęć, cyna i ołów, działaniu bardzo niskich temperatur (rzędu 4K)..
Nadprzewodnictwo ma ważne zastosowania technologiczne, takie jak pociągi lewitacji magnetycznej, o ile można je uzyskać w podwyższonych temperaturach (najlepiej w temperaturze pokojowej).
Fizyka ciała stałego jest w tych poszukiwaniach nadprzewodników, czyli wysokiej temperatury powyżej temperatury ciekłego azotu (77 K), stosunkowo łatwej i taniej do uzyskania temperatury. Jak dotąd nadprzewodnik o najwyższej temperaturze to ceramiczne ciało stałe, które osiąga ten stan w temperaturze 138 K lub -135ºC..
Silnie skorelowane ciała stałe to ciężkie związki fermionowe o niezwykłych właściwościach i dużym potencjale technologicznym. Na przykład można nimi manipulować, aby przejść od izolatorów do przewodników za pomocą pól magnetycznych.
Rozwój tego typu ciał stałych pozwolił również na zwiększenie pojemności magnetycznych urządzeń do przechowywania informacji w ostatnich dziesięcioleciach..
Przykłady ciał stałych.
Jeszcze bez komentarzy