Қатты дене физикасы – заттардың қатыс күйін зерттейтін физика саласы. Химия, квант механикасы, кристаллография сияқты ғылымдарды қолданады. Материалдар ғылымының негізі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физиканың қатты денелерді зерттейтін саласы.
Branch of physics focused on matter in the solid state
Қатты денелер физикасы – қатты химия, кванттық механика, кристаллография, электромагнетизм және металлургия сияқты әдістер арқылы қатты материяны, яғни қатты денелерді зерттейді. Бұл – конденсирленген материя физикасының ең ірі саласы. Қатты денелер физикасы қатты материалдардың макроскопикалық қасиеттері олардың атомдық қасиеттерінен қалай туындайтынын зерттейді. Осылайша, қатты денелер физикасы материалтанудың теориялық негізін құрайды. Қатты химиямен бірге, ол транзисторлар мен жартылай өткізгіштер технологиясында да тікелей қолданылады.
Solid state physics is the study of rigid matter, or solids, through methods such as solid state chemistry, quantum mechanics, crystallography, electromagnetism, and metallurgy. It is the largest branch of condensed matter physics. Solid state physics studies how the large scale properties of solid materials result from their atomic scale properties. Thus, solid state physics forms a theoretical basis of materials science. Along with solid state chemistry, it also has direct applications in the technology of transistors and semiconductors.
Өмірбаян
Қатты материалдар тығыз орналасқан атомдардан түзіледі, олар бір-бірімен күшті әрекеттеседі. Осы әрекеттесулер қатты денелердің механикалық (мысалы, қаттылық және серпімділік), жылулық, электрлік, магниттік және оптикалық қасиеттерін қамтамасыз етеді. Материалдың түріне және оның қалыптасу жағдайларына байланысты атомдар тұрақты, геометриялық үлгіде (металдар мен қарапайым су мұзын қамтитын кристаллды қатты денелер) немесе ретсіз (жалпы терезе шынысы сияқты аморфты қатты дене) орналасуы мүмкін. Қатты дене физикасының көп бөлігі, жалпы теория ретінде, кристаллдарға бағытталған. Бұл негізінен кристалдағы атомдардың периодтылығы – оның ерекше белгісі – математикалық модельдеуді жеңілдетеді. Сондай-ақ, кристалл материалдарда электрлік, магниттік, оптикалық немесе механикалық қасиеттер жиі кездеседі, оларды инженерлік мақсаттар үшін пайдалануға болады. Кристаллдағы атомдар арасындағы күштер әртүрлі болуы мүмкін. Мысалы, натрий хлориді (жалпы тұз) кристаллы иондық натрий мен хлордан тұрады және иондық байланыстармен байланысқан. Басқаларында атомдар электрондарын бөлісіп, ковалентті байланыстар құрайды. Металдарда электрондар металдық байланыс арқылы бүкіл кристалл бойынша бөліседі. Асыл газдар мұндай байланыстарға түспейді. Қатты күйде асыл газдар әрбір атомдағы электрондық заряд бұлтының поляризациясы нәтижесінде туындайтын Ван дер Ваальс күштерімен байланысқан. Қатты денелердің түрлерінің айырмашылығы олардың байланысу ерекшеліктерінен туындайды.
Solid materials are formed from densely packed atoms, which interact intensely. These interactions produce the mechanical (e. g. hardness and elasticity), thermal, electrical, magnetic and optical properties of solids. Depending on the material involved and the conditions in which it was formed, the atoms may be arranged in a regular, geometric pattern (crystalline solids, which include metals and ordinary water ice) or irregularly (an amorphous solid such as common window glass). The bulk of solid state physics, as a general theory, is focused on crystals. Primarily, this is because the periodicity of atoms in a crystal — its defining characteristic — facilitates mathematical modeling. Likewise, crystalline materials often have electrical, magnetic, optical, or mechanical properties that can be exploited for engineering purposes. The forces between the atoms in a crystal can take a variety of forms. For example, in a crystal of sodium chloride (common salt), the crystal is made up of ionic sodium and chlorine, and held together with ionic bonds. In others, the atoms share electrons and form covalent bonds. In metals, electrons are shared amongst the whole crystal in metallic bonding. Finally, the noble gases do not undergo any of these types of bonding. In solid form, the noble gases are held together with van der Waals forces resulting from the polarisation of the electronic charge cloud on each atom. The differences between the types of solid result from the differences between their bonding.
Тарих
Қатты денелердің физикалық қасиеттері ғасырлар бойы ғылыми зерттеулердің тақырыбы болды, бірақ "қатты дене физикасы" деген жекелеген сала 1940 жылдарға дейін пайда болған жоқ, әсіресе Америка физика қоғамындағы Қатты дене физикасы бөлімінің (DSSP) құрылуымен. DSSP өнеркәсіптік физиктерге қызмет көрсетті, ал қатты дене физикасы қатты денелерді зерттеу арқылы мүмкін болған технологиялық қолданыстармен байланысты болды. 1960 жылдардың басында DSSP Америка физика қоғамының ең ірі бөлімшесіне айналды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін Еуропада, әсіресе Англияда, Германияда және Кеңес Одағында қатты дене физиктерінің ірі қауымдастықтары құрылды. АҚШ және Еуропада қатты дене физикасы жартылай өткізгіштер, суперөткізгіштік, ядролық магниттік резонанс және басқа да алуан түрлі құбылыстарды зерттеу арқылы маңызды салаға айналды. Салқын соғыстың басында қатты дене физикасы зерттеулері көбінесе қатты денелермен ғана шектелмеді, бұл 1970 және 1980 жылдары кейбір физиктерді қатты денелерді, сұйықтықтарды, плазмаларды және басқа да күрделі материяны зерттеу үшін қолданылатын ортақ әдістерді біріктіретін конденсацияланған материя физикасы саласын құруға итермеледі. Бүгінде қатты дене физикасы конденсацияланған материя физикасының қосалқы саласы болып саналады, оны көбінесе "қатты конденсацияланған материя" деп атайды, және ол реттелген кристалдық торлары бар қатты денелердің қасиеттеріне баса назар аударады.
The physical properties of solids have been common subjects of scientific inquiry for centuries, but a separate field going by the name of solid state physics did not emerge until the 1940s, in particular with the establishment of the Division of Solid State Physics (DSSP) within the American Physical Society. The DSSP catered to industrial physicists, and solid state physics became associated with the technological applications made possible by research on solids. By the early 1960s, the DSSP was the largest division of the American Physical Society. Large communities of solid state physicists also emerged in Europe after World War II, in particular in England, Germany, and the Soviet Union. In the United States and Europe, solid state became a prominent field through its investigations into semiconductors, superconductivity, nuclear magnetic resonance, and diverse other phenomena. During the early Cold War, research in solid state physics was often not restricted to solids, which led some physicists in the 1970s and 1980s to found the field of condensed matter physics, which organized around common techniques used to investigate solids, liquids, plasmas, and other complex matter. Today, solid state physics is broadly considered to be the subfield of condensed matter physics, often referred to as hard condensed matter, that focuses on the properties of solids with regular crystal lattices.
Кристалдық құрылым және қасиеттері
Материалдардың көптеген қасиеттеріне олардың кристалдық құрылымы әсер етеді. Бұл құрылымды рентгендік кристаллография, нейтрондық дифракция және электрондық дифракция сияқты түрлі кристаллографиялық әдістер арқылы зерттеуге болады. Кристалдық қатты материалдағы жеке кристаллдардың мөлшері қолданылатын материалға және оның қалыптасу жағдайларына байланысты өзгереді. Күнделікті өмірде кездесетін кристалдық материалдардың көпшілігі поликристалды болып келеді, мұнда жеке кристаллдар микроскоптық деңгейде болады, бірақ макроскоптық бір кристаллдар табиғатта (мысалы, алмаз) немесе жасанды түрде өндірілуі мүмкін. Шын кристаллдарда идеалды құрылымда кемшіліктер немесе бұрмалаушылықтар болады, және осы кемшіліктер нақты материалдардың көптеген электрлік және механикалық қасиеттерін шешеуші түрде анықтайды.
Many properties of materials are affected by their crystal structure. This structure can be investigated using a range of crystallographic techniques, including X ray crystallography, neutron diffraction and electron diffraction. The sizes of the individual crystals in a crystalline solid material vary depending on the material involved and the conditions when it was formed. Most crystalline materials encountered in everyday life are polycrystalline, with the individual crystals being microscopic in scale, but macroscopic single crystals can be produced either naturally (e. g. diamonds) or artificially. Real crystals feature defects or irregularities in the ideal arrangements, and it is these defects that critically determine many of the electrical and mechanical properties of real materials.
Электрондық қасиеттері
Материалдардың электр өткізгіштігі және жылу сыйымдылығы сияқты қасиеттері қатты дене физикасымен зерттеледі. Электр өткізгіштігінің алғашқы моделі – Дрюд моделі, ол қатты денедегі электрондарға кинетикалық теорияны қолданды. Материалда қозғалмайтын оң иондар және классикалық, өзара әрекеттеспейтін электрондардың «электрондық газы» бар деп есептей отырып, Дрюд моделі металдардағы электрлік және жылу өткізгіштігін, сондай-ақ Холл эффектін түсіндіре алды, бірақ электрондық жылу сыйымдылығын тым жоғары бағалады. Арнольд Сомерфельд классикалық Дрюд моделін кванттық механикамен біріктіріп, еркін электронды модельді (немесе Дрюд-Сомерфельд моделін) жасады. Бұл модельде электрондар Ферми газы ретінде қарастырылады, ол кванттық механикалық Ферми-Дирак статистикасына бағынатын бөлшектердің газы. Еркін электронды модель металдардың жылу сыйымдылығын жақсырақ болжады, алайда оқшаулағыштардың болуын түсіндіре алмады. Дерлік еркін электронды модель – бұл еркін электронды модельдің өзгертілген түрі, ол кристалдық қатты денедегі өткізгіш электрондар мен иондар арасындағы өзара әрекеттесуді модельдеу үшін әлсіз периодтық бұзылысты қамтиды. Электрондық жолақтар туралы ұғымды енгізу арқылы теория өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және оқшаулағыштардың болуын түсіндіреді. Дерлік еркін электронды модель периодтық потенциал жағдайында Шредингер теңдеуін қайта жазады. Бұл жағдайдағы шешімдер Блох күйлері деп аталады. Блох теоремасы тек периодтық потенциалдарға ғана қатысты екендігін және кристалдағы атомдардың үздірсіз кездейсоқ қозғалысы периодтылықты бұзатындықтан, Блох теоремасын қолдану тек жуықтау болып табылады, бірақ ол өте құнды жуықтау болып шықты, оныңсыз қатты дене физикасының көптеген талдауларын жүргізу мүмкін болмас еді. Периодтылықтан ауытқулар кванттық механикалық бұзылыстар теориясымен қарастырылады.
Properties of materials such as electrical conduction and heat capacity are investigated by solid state physics. An early model of electrical conduction was the Drude model, which applied kinetic theory to the electrons in a solid. By assuming that the material contains immobile positive ions and an "electron gas" of classical, non interacting electrons, the Drude model was able to explain electrical and thermal conductivity and the Hall effect in metals, although it greatly overestimated the electronic heat capacity. Arnold Sommerfeld combined the classical Drude model with quantum mechanics in the free electron model (or Drude Sommerfeld model). Here, the electrons are modelled as a Fermi gas, a gas of particles which obey the quantum mechanical Fermi–Dirac statistics. The free electron model gave improved predictions for the heat capacity of metals, however, it was unable to explain the existence of insulators. The nearly free electron model is a modification of the free electron model which includes a weak periodic perturbation meant to model the interaction between the conduction electrons and the ions in a crystalline solid. By introducing the idea of electronic bands, the theory explains the existence of conductors, semiconductors and insulators. The nearly free electron model rewrites the Schrödinger equation for the case of a periodic potential. The solutions in this case are known as Bloch states. Since Bloch's theorem applies only to periodic potentials, and since unceasing random movements of atoms in a crystal disrupt periodicity, this use of Bloch's theorem is only an approximation, but it has proven to be a tremendously valuable approximation, without which most solid state physics analysis would be intractable. Deviations from periodicity are treated by quantum mechanical perturbation theory.