Pentru o lungă perioadă de timp se părea că cel mai interesant lucru in fizica - studiul microcosmos și macrocosmos. A fost acolo, care a încercat să găsească răspunsuri la cele mai importante întrebări, fundamentale, să explice dispozitivul lumii. Și acum a format o a treia cercetare din față - studiul solidelor.
De ce este atât de important pentru a investiga solide?
Un rol imens, desigur, joacă o activitate umană practică. Solide - sunt metale și dielectrici, fără de care nu electrica, este - semiconductori care stau la baza moderne electronice, magneți, supraconductori, materiale de construcție. Pe scurt, se poate argumenta că progresul tehnologic într-o măsură considerabilă bazată pe utilizarea de solide.
Dar nu numai latura practică a lucrurilor importante în studiul lor. Logica foarte internă a dezvoltării științei - fizica stare solida - a condus la o înțelegere a importanței proprietăților colective ale sistemelor de mari dimensiuni.
Corpul solid este compus dintr-o multitudine de particule care interacționează unele cu altele. Aceasta determină apariția unei anumite ordini în sistem (Fig. 1) și funcționează doar microparticule colective. Astfel, proprietățile colective ale electronilor determină conductivitatea electrică a solidelor și capacitatea organismului de a absorbi căldura - capacitatea calorică - depinde de natura oscilațiilor colective în mișcarea termică a atomilor. Proprietăți colective explica toate legile de bază care guvernează comportamentul solidelor.
solide Structură variată. Cu toate acestea, ele pot fi împărțite în două mari clase: acele cristale, și amorf-l a.
Strict vorbind, stare amorfă nu este în echilibru cu corpul amorf trebuie să cristalizeze în timp. Cu toate acestea, în condiții normale, de data aceasta poate fi atât de mare încât nu apare dezechilibrarea și corpul substanțial amorf este stabilă.
In cristale de atomi (sau ioni) amplasate în spațiul în rețeaua cristalină (a se vedea. Crystal fizica). periodicitate strictă în aranjamentul atomilor duce la păstrarea ordinii la distanțe mari (în acest caz, spunem că există o ordine cu rază lungă).
Fig. 2 prezintă o fotografie de film de aur cristalin obținut folosind un microscop electronic. Filmul este format din zone cu orientări diferite ale rețelei cristaline. În fiecare zonă vizibilă în mod clar la o structură strict periodică cu o distanță caracteristică între atomi. Iti place sa te uiti la una și aceeași rețea cristalină la unghiuri diferite. Această perioadă este de numai grilaj angstromi. Dar substanțele cunoscute, în care perioada de comandă pe distanțe lungi este foarte mare. Structurile de proteine, repetitive prin 0,1 microni și canini ace mamut porcupine gasit. Aceasta este o valoare foarte mare pentru lumea atomică.
Toate cristalele reale au structura imperfectă. Într-un loc cu zăbrele pot forma un spațiu gol (post vacant) sau se infiltreze atomul străin (impuritate), pauză sau dislocarea în ordinea de cristal. Aceste defecte pot fi făcute vizibile, dacă procesul de corodare a suprafeței unei compoziții speciale. În locurile de dislocare la suprafața cristalului se dizolvă mai puternic, și a format așa-numitele gropi etch.
Pentru materiale amorfe nu deranjat pe plan local, și întregul (CIVR. Stare amorfă). Ei nu au nici o ordine cu rază lungă. În același timp, unele simulacru de ordine în materiale amorfe este menținută. Fig. 3 prezintă diferența dintre cristal de cuarț (puncte negre - atomii de siliciu, roșu - oxigen) și sticlă. După cum se arată, în vecinătatea fiecărui atom din sticlă și totuși au o anumită structură. De aceea, se spune că materialul amorf are o ordine cu rază scurtă.
Experimente interesante realizat in 1959 de fizicianul englez J. Bernal, studiind structura geometrică a solidelor și lichidelor amorfe. El a luat o mulțime de bile de lut mici de dimensiuni egale, roll-le în pulberea cretă și comprimată într-o bucată mare. Granulele rezultate au fost poliedre deformate. Sa constatat că, în mod avantajos formate cu fețe pentagonale, și a avut o medie poliedre se confruntă cu 13,3. Așa că o anumită ordine este cu siguranță acolo, în materiale amorfe.
mișcare termică provoacă fluctuații ale atomilor (sau ioni), din care cuprinde un corp solid. Amplitudinea de oscilație este de obicei mică în comparație cu distanțele interatomice și atomii nu își părăsesc locurile. Deoarece atomii in solide sunt interconectate, vibrațiile lor sunt coordonate, astfel încât corpul se extinde cu o anumită viteză de undă. Pentru a descrie vibrațional: Nij în solide la temperaturi scăzute, în mod obișnuit de reprezentare utilizate de cvasiparticulelor - fononi.
Conform proprietăților sale electronice ale solidelor sunt împărțite în metale, izolatori și semiconductori. Mai mult, la temperaturi scăzute, stare, eventual special supraconductoare, în care rezistența la curent electric este zero (vezi. Supraconductibilitatea).
mișcarea microparticulele se supune legilor mecanicii cuantice. În electronii legați, cum ar fi un atom, energia poate accepta doar anumite valori cuantizate. Într-un solid aceste nivele de energie sunt combinate în zone separate de regiuni energii interzise (vezi. Fig. 4). Principiul Pauli, electronii nu se acumulează la nivelul inferior și ia niveluri cu diferite energii. În acest caz, este posibil ca, ca urmare a tuturor nivelurilor de energie din zonă va fi umplut. Acest solid este un izolator. Schimbarea energia electronului în acest caz, este posibil doar o singură dată pe o dimensiune finală mare (lățimea zonei interzise sau, ca diferența de energie). Prin urmare, electronii din izolator nu poate fi accelerată în câmpul electric la zero conductivitate și temperatură (atunci când nu există nici o excitație termică) este zero (rezistența este infinită).
Într-un metal, dimpotrivă, nivelul de energie superioară este umplut în interiorul zonei, energia electronilor poate fi variat aproape continuu, iar câmpul electric creează un curent. Moțiunea de electroni ordonat de-a lungul câmpului aplicat mișcare haotică intensiv. Energia maximă a electronilor este determinată de concentrația lor. In mod tipic metale această valoare de ordinul electron-ronvolt. Temperatura adecvată o astfel de energie
104 K! Deci, chiar și la absolut zero a electronilor în metal se mișcă viguros și este de mare temperatură eficace.
Semiconductorul - izolator este același, dar cu o mică valoare a diferenței de energie. mișcare termică poate „coplesi“ electronii într-o zonă liberă (aceasta se numește o conductivitate-z clorhidric, spre deosebire de banda de valență umplute), unde acestea sunt accelerate de câmpul electric (fig. 5). De aceea, semiconductori au de obicei o conductivitate scăzută, puternic dependentă de temperatură. In semiconductori pot afecta, de asemenea conductivitatea introducerii impurităților specifice (vezi. Semiconductors).
Chip-urile semiconductoare vă permit să creați dispozitive complexe semiconductoare electronice, inclusiv circuite integrate așa-numitele. Acum a ajuns la un asemenea nivel de integrare pe care milioane de elemente individuale se potrivesc într-o zonă de 1 cm 2. Un astfel de dispozitiv este un singur cristal, și un nou domeniu de tehnologie este adesea numit electronica solid-state.
De o mare importanță pentru tehnologia modernă au materiale magnetice. Atomii (sau o parte din atomii) din care cuprinde un corp solid poate avea un moment magnetic. Dacă interacțiunea dintre momentele magnetice este mare, ele sunt aranjate într-un anumit fel, iar solidul transferat într-o stare feromagnetic sau antiferomagnetism (vezi. Magnetics). Fig. 6 prezintă dispunerea momentelor magnetice ale ionilor de mangan în rețeaua de oxid de mangan. Substanța este în starea antiferomagnetica.
Cu cat mai complex solid aranjate, cu atât mai dificil de a identifica efectele colective. Deosebit de dificil sunt aranjate solide organice, deși în ele există o anumită structură. Așa cum apare aici prin care se dispune, la care conduce proprietățile colective - aceste întrebări încă să se răspundă. Dar este clar că este pe drum este cheia pentru a înțelege misterele naturii.