szilárd 1
Sokáig úgy tűnt, hogy a legérdekesebb dolog a fizika - a tanulmány a mikrokozmosz és a makrokozmosz. Ott volt, hogy kerestem a választ, hogy a legfontosabb, alapvető kérdések, magyarázza a készülék a világon. És most kialakult egy harmadik első kutatás - a tanulmány a szilárd anyagokat.
Miért olyan fontos, hogy vizsgálja szilárd?
Egy hatalmas szerepe természetesen játszik a gyakorlati emberi tevékenység. Szilárd anyag - a fémet és dielektromos, amelyek nélkül az elektromos, ez - a félvezetők, amelyek hátterében a modern elektronika, mágnesek, szupravezetők, konstrukciós anyagok. Röviden azt lehet mondani, hogy a technikai fejlődés jelentős mértékben alapul a szilárdanyag-felhasználás.
De nem csak a gyakorlati oldalát a dolgoknak fontos tanulmány. A nagyon belső logikája a tudomány fejlődése - szilárdtest fizika - vezetett megértéséhez fontos a kollektív tulajdonságainak nagy rendszerekhez.
A szilárd test áll számtalan részecskék, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással. Ez okozza a megjelenése egy bizonyos sorrendben a rendszerben (1.) És funkciók csak a kollektív mikrorészecskék. Így a kollektív tulajdonságait elektronok meghatározzák az elektromos vezetőképesség a szilárd anyagot, és a szervezet azon képességét, hogy elnyeli a hőt - hőkapacitás - jellegétől függ a kollektív oszcillációk a termikus mozgás atomok. Kollektív tulajdonságok magyarázzák az összes alapvető törvények viselkedését szilárd.
Szerkezet szilárd változtatható. Mindazonáltal, akkor lehet osztani két nagy csoportra: azok kristályok és amorf-l a.
Szigorúan véve, az amorf állapotban nincs egyensúlyban az amorf test kell kristályosodni idővel. Azonban, a szokásos körülmények között, ez idő lehet olyan nagy, hogy a kiegyensúlyozatlan nem látható, és a lényegében amorf test stabil.
A kristályok az atomok (vagy ionok) található, a térben a kristályrácsban (lásd. Crystal Physics). Szigorú periodicitás elrendezése az atomok vezet megőrzése érdekében nagy távolságra (ebben az esetben azt mondjuk, hogy van egy hosszú távú sorrendben).
Ábra. A 2. ábra egy fénykép, kristályos arany kapott film elektronmikroszkóppal. A film egy terület különböző irányok a kristályrács. Minden területen világosan látható, hogy a szigorú periodikus struktúra jellegzetes távolság atomok között. Szereted nézni egy és ugyanazon kristályrács különböző szögekben. Ez osztásperiódus csak nm. De az ismert anyagok, amelyekben az időszak a hosszú távú érdekében nagyon nagy. A fehérje szerkezetek, ismétlődő keresztül 0,1 mikron és a szemfogak mammut tűk sündisznó talált. Ez egy nagyon nagy érték az atomi világ.
Minden igazi kristályok tökéletes szerkezettel. Néhány helyen rács képezhet egy üres hely (hiány), vagy beszivárog a külföldi atom (szennyezés), törés vagy ficam a kristály sorrendben. Az ilyen hibák láthatóvá tehető, ha a maratási eljárás a felület egy speciális összetételű. Azokon a helyeken a diszlokáció, hogy a felszínen a kristály feloldódik erősebb, és kialakult az ún etch gödrök.
Annak érdekében, amorf anyagok nem helyben zavarják, és az egész (CIVR. Az amorf állapot). Nincs hosszú távú érdekében. Ugyanakkor, némi rendet amorf anyagok megmarad. Ábra. A 3. ábra a különbség a kvarckristály (fekete pontok - szilíciumatomot tartalmaznak, piros - oxigén) és az üveg. Mint látható, a közelében minden egyes atom az üveg, és mégis van egy bizonyos szerkezetű. Ezért mondják, hogy az amorf anyag egy rövid hatótávolságú érdekében.
Érdekes végzett kísérletek 1959-ben az angol fizikus J. Bernal, tanulmányozza a geometriai szerkezetét folyadékok és amorf szilárd anyagok. Vett egy csomó apró agyaggolyón azonos méretű, feltekerjük, a kréta por és préseljük egy nagy dudor. A kapott gyöngyök voltak deformált poliéderek. Azt találtuk, hogy előnyös módon a ötszögű lapokat, és az átlagos poliéderek arcok 13.3. Annak érdekében, hogy némi rendet mindenképpen ott amorf anyagok.
Termikus mozgás ingadozásokat okoz az atomok (vagy ionok) az, amely egy szilárd test. A rezgési amplitúdója általában kisebb, mint az atomi távolságokat és az atomok nem hagyják helyüket. Mivel atomok szilárd egymáshoz kapcsolódnak, a rezgések koordinálva, hogy a test nyúlik egy bizonyos hullám sebessége. Leírására rezgési: Nij a szilárd anyagok alacsony hőmérsékleten általánosan használt ábrázolása quasiparticles - fonon.
Szerint a elektronikus tulajdonságait szilárd vannak osztva fémek, dielektrikumok és félvezetők. Továbbá, alacsony hőmérsékleten esetleges speciális szupravezető állapotba, amelyben az ellenállás villamos áram nulla (lásd. Szupravezetés).
mikrorészecskék mozgásának engedelmeskedik a kvantummechanika törvényei. A kötött elektronok, mint például egy atom, energia csak akkor fogadja bizonyos kvantált értékeket. A szilárd ezeket energiaszintek egyesítjük zónákban régiókkal elválasztva tiltott energiák (lásd. Ábra. 4). A Pauli-elv, az elektronok nem halmozódik fel az alsó szinten, és vegye fel a szintek különböző energiákkal. Ebben az esetben lehet, hogy ennek eredményeként az összes energia szintje a terület tele lesz. Ezt a szilárd anyagot egy szigetelő. Változás az energia az elektron ebben az esetben lehetséges, csak egyszer, egy nagy végső mérete (szélessége a tiltott terület, vagy ahogy az energia hiány). Ezért, az elektronok a szigetelő nem lehet gyorsítani az elektromos mező nulla vezetőképesség és hőmérséklet (ha nincs termikus gerjesztés) nulla (az ellenállás végtelen).
A fém, éppen ellenkezőleg, a felső energiaszint van töltve a zónán belüli, az energia az elektronok variálható szinte folyamatosan, és az elektromos mező hatására elektromos áram keletkezik. A megrendelt elektron mozgás mentén alkalmazott tér intenzív kaotikus mozgás. A maximális energia az elektronok határozza meg a koncentrációt. A tipikus fémek ez az érték a sorrendben elektron-ronvolt. A megfelelő hőmérsékleten, így az energia
104 K! Tehát még az abszolút nulla az elektronok a fém élénken mozog és nagy effektív hőmérséklet.
A félvezető - szigetelő ugyanaz, de egy kis értékű energia különbség. Termikus mozgás „meghaladhatják” az elektronok szabad zónában (ez az úgynevezett Z-sósav vezetőképesség eltérően megtöltött vegyértéksáv), ahol azok gyorsított az elektromos mező által (ábra. 5). Ezért, félvezetők jellemzően alacsony vezetőképességű, erősen hőmérsékletfüggő. A félvezetők is befolyásolják a vezetőképesség, hogy konkrét szennyeződéseket (lásd. Félvezetők).
A félvezető chipek lehetővé teszi, hogy az összetett elektronikai félvezető eszköz, beleértve az úgynevezett integrált áramkörök. Most már olyan szintű integrációt, hogy több millió egyedi elemek illeszkednek egy 1 cm 2. Az ilyen készülék, ez egy kristály, és egy új technológia területén gyakran nevezik szilárdtest elektronika.
Nagyon fontos, hogy a modern technológia mágneses anyagok. Atomok (vagy néhány atom), amely tartalmaz egy szilárd test lehet egy mágneses pillanatban. Ha a kölcsönhatás a mágneses pillanatok nagy, vannak elrendezve egy bizonyos módon, és a szilárd anyagot átvisszük egy ferromágneses vagy antiferromágneses állapotban (lásd. Magnetics). Ábra. A 6. ábra az elrendezése a mágneses pillanatok a mangán ionok a rács a mangán-oxid. Az anyag az antiferromágneses állapotban.
A bonyolultabb a elrendezett szilárd, annál nehezebb, hogy azonosítsa a kollektív hatásokat. Különösen nehéz vannak elrendezve szerves szilárd anyagok, bár bennük van egy bizonyos szerkezetű. Mivel úgy tűnik, itt megrendeléstől, amelyet ez a kollektív tulajdonságok - ezeket a kérdéseket is meg kell válaszolni. De világos, hogy ez az út a legfontosabb, hogy megértsék a titkait a természet.