Solid State Physics -eigenschappen, structuur, voorbeelden

De Solid State Physics Het is de tak van de fysica die zich bezighoudt met de studie van materie wanneer deze zich in een staat van lage energie bevindt, geroepen vaste toestand, Door het gebruik van fysieke theorieën zoals kwantummechanica, statistische fysica, thermodynamica, elektromagnetisme en kristallografie.

In de vaste toestand is intermoleculaire aantrekkingskracht minder dan thermische energie, daarom kunnen de moleculen nauwelijks trillen rond min of meer vaste posities. Sommige vaste stoffen zijn amorf op moleculair niveau, terwijl anderen een meer geordende structuur hebben, zoals kristallen.

Enkele voorbeelden van vaste materialen zijn silica -zand, glas, grafiet (minerale kolen), gewone zout, geraffineerde suiker, ijzer, koper, magnetiet, kwarts en nog veel meer.

[TOC]

Solid State -kenmerken

Vaste materialen hebben het belangrijkste kenmerk dat, onder normale omstandigheden, dat wil zeggen als ze niet onderhevig zijn aan grote externe inspanningen, ze hun volume en vorm behouden.

Dit staat in contrast met vloeistoffen die, hoewel ze hun volume kunnen behouden, van vorm veranderen door zich aan te passen aan de container die ze bevat. Het contrast is nog groter met gassen, omdat deze kunnen worden gecomprimeerd of uitgebreid door hun volume en vorm te veranderen.

Vaste stoffen kunnen echter hun volume variëren wanneer ze worden onderworpen aan temperatuurveranderingen die breed genoeg zijn om opmerkelijke effecten te hebben, maar zonder een fase -overgang vindt plaats in een andere toestand van materie.

Vaste stoffen kunnen amorf zijn in zijn interne moleculaire structuur. Glas is bijvoorbeeld een amorf materiaal, zelfs door velen beschouwd als een tefrazige vloeistof. Quartz en Diamond hebben echter een kristallijne structuur, dat wil zeggen dat hun atomen regelmatig en ruimtelijk periodieke regelingen volgen.

Macroscopische en microscopische eigenschappen

Fysica van vaste toestand bestudeert de relatie tussen macroscopische schaaleigenschappen (duizenden of miljoenen keren hoger op atomaire schaal) en de eigenschappen op moleculaire of atoomschaal.

Het kan u van dienst zijn: magnetische permeabiliteit: constante en tabel

In een vaste stof zijn atomen zeer dicht bij elkaar en de interactie tussen hen bepaalt hun eigenschappen op macroschaal, zoals hun mechanische kenmerken: stijfheid en ductiliteit, en ook hun thermische, magnetische, optische en elektriciteitseigenschappen.

Geleidbaarheid, warmtecapaciteit en magnetisatie zijn bijvoorbeeld macroscopische eigenschappen van vaste stoffen die direct afhankelijk zijn van wat er op moleculaire of atomaire schaal gebeurt.

Een duidelijk voorbeeld van het belang van solide fysica zijn halfgeleiders. Inzicht in de eigenschappen op microscopisch niveau maakt apparaten zoals transistors, diodes, geïntegreerde circuits en LED -lichten mogelijk, om enkele toepassingen te noemen.

Vaste structuur

Afhankelijk van de druk- en temperatuuromstandigheden, evenals de processen die tijdens hun vorming worden gevolgd, verwerven vaste materialen een bepaalde microscopische structuur.

Materialen zo ongelijk als grafiet en diamant zijn bijvoorbeeld alleen samengesteld uit koolstofatomen. Maar de eigenschappen zijn compleet anders, omdat, ondanks dat ze uit hetzelfde type atomen zijn samengesteld, hun microscopische structuren sterk verschillen.

Microscopische structuur van diamant en grafiet

Metallurgie -specialisten weten dat, op basis van hetzelfde materiaal, met verschillende thermische behandelingen, zeer verschillende resultaten worden verkregen bij de uitwerking van stukken, zoals messen en zwaarden. Verschillende behandelingen leiden tot verschillende microscopische structuren.

Afhankelijk van hun formatie kunnen vaste stoffen in principe drie soorten microscopische structuren presenteren:

• Amorf, Als er geen ruimtelijke regelmaat is in de opstelling van atomen en moleculen.
• Monokristallijn, Als atomen in een ruimtelijke volgorde worden gerangschikt, vormen de vorming van arrangementen of cellen die voor onbepaalde tijd worden herhaald in de drie dimensies.
• Polyristaline, Samengesteld uit verschillende regio's, niet symmetrisch met elkaar, waarbij elk gebied zijn eigen monocystallijne structuur heeft.

Kan u van dienst zijn: afgestudeerde hitte: formules, hoe u het kunt berekenen en oefeningen opgelost

Modellen van de fysica van de vaste stof en zijn eigenschappen

De fysica van het solide deel van de fundamentele principes om de eigenschappen van vaste materialen te verklaren, zoals thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid.

Door bijvoorbeeld de kinetische theorie op een metaalvrije elektronen aan te brengen, worden ze behandeld alsof ze een gas zijn.

En in de veronderstelling dat ionen een onbeweeglijk substraat vormen, is het mogelijk om zowel de elektrische geleidbaarheid als de thermische geleidbaarheid van de metalen te verklaren. Hoewel, in de klassieke versie van dit model, de thermische geleidbaarheid van vrije elektronen groter is dan wat wordt verkregen uit metingen in geleidende materialen.

Het ongemak wordt opgelost door kwantumcorrecties te introduceren in het vrije elektronenmodel van een solide geleider. Als ze de statistieken van Fermi-Dirac moeten volgen, komen theoretische voorspellingen bovendien nauwkeuriger overeen met experimentele metingen.

Het vrije elektronenmodel kan echter niet de thermische geleidbaarheid van vaste stoffen verklaren die geen metalen zijn.

In dit geval moet rekening worden gehouden met de interactie van elektronen met het kristallijne netwerk, dat wordt gemodelleerd door periodiek potentieel in de Schrodinger -vergelijking. Dit model voorspelt rijbanden die afhankelijk zijn van elektronenenergie en verklaart elektrische geleidbaarheid in halfgeleider vaste stoffen, een type tussenliggende vaste stof tussen isolator en geleidend metaal.

Voorbeelden van vaste toestand

De fysica van de vaste toestand is geëvolueerd tot het punt dat de ontdekking van nieuwe materialen zoals heeft laten ontdekken, zoals solide nanomaterialen Met unieke en buitengewone eigenschappen.

Een ander geval van voorbeeld bij de vooruitgang van vaste fysica is de ontwikkeling van twee -dimensionale of monolaagmaterialen, gevolgd door verschillende toepassingen zoals fotovoltaïsche cellen en de ontwikkeling van halfgeleider geïntegreerde circuits.

Kan u van dienst zijn: gewicht (fysiek): berekening, eenheden, voorbeelden, oefeningen Graphene nanotubus

Het klassieke voorbeeld van twee -dimensionaal materiaal is de Grafeen, dat is niets anders dan een enkele Cape -grafiek en die voor het eerst in 2004 werd verkregen.

Andere voorbeelden van twee -dimensionale vaste stoffen zijn: fosforeno, loodsen, silicen en germaceen.

Supergeleiders op hoge temperatuur

Levitatie van een magneet door middel van een keramische supergeleider op hoge temperatuur

De supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Nederlandse Kamerlingh Onnes (1853-1926) toen het zich onderwond aan zeer lage temperaturen (in de orde van de 4 K) geleidende materialen zoals kwik, tin en lood.

Supergeleiding heeft belangrijke technologische toepassingen, zoals magnetische levitatietreinen, zolang het bij hoge temperaturen kan worden verkregen (idealiter bij kamertemperatuur).

De fysica van de vaste stof is in deze zoektocht naar supergeleiders, worden begrepen door hoge temperatuur boven de temperatuur van vloeibare stikstof (77 K), een relatief gemakkelijke en goedkope temperatuur om te verkrijgen. Tot op heden is de hoogste temperatuur supergeleider een keramische vaste stof die deze toestand bereikt bij een temperatuur van 138 K of -135ºC.

Sterk gecorreleerde vaste stoffen

De sterk gecorreleerde vaste stoffen zijn zware fermionische verbindingen die ongebruikelijke en geweldige technologische potentiële eigenschappen hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gemanipuleerd om van isolatoren naar bestuurders te verplaatsen via magnetische velden.

De ontwikkeling van dit type vaste stoffen heeft ook de magnetische opslagapparaten van informatie mogelijk gemaakt om hun capaciteit de afgelopen decennia exponentieel te vergroten.

Thema's van belangstelling

Voorbeelden van vaste stoffen.

Referenties

1. Martin, Joseph D. 2015. "Wat zit er in een naamsverandering? Solid State Physics, Condensed Matter Physics en Materials Science ”(PDF). Fysica in perspectief. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. negentienvijfennegentig. Inleiding tot fysica van vaste toestand. Redactionele nagiereling.
3. Ashcroft en Mermin. 1976. Solid State Physics. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 20000000000000000000. Fysieke elektronica halfgeleider. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Solid State Physics. Hersteld van: is.Wikipedia.com