Właściwości fizyki w stanie stałym, struktura, przykłady

Fizyka stałego stanu Jest to gałąź fizyki, która zajmuje się badaniem materii, gdy jest ona w stanie niskiej energii, zwanej stan stały, Poprzez zastosowanie teorii fizycznych, takich jak mechanika kwantowa, fizyka statystyczna, termodynamika, elektromagnetyzm i krystalografia.

W stanie stałym energia przyciągania międzycząsteczkowego jest mniejsza niż energia cieplna, dlatego cząsteczki ledwo wibrują wokół mniej więcej ustalonych pozycji. Niektóre stałe są amorficzne na poziomie molekularnym, podczas gdy inne mają bardziej uporządkowaną strukturę, taką jak kryształy.

Niektóre przykłady materiałów stałych to piasek krzemionkowy, szkło, grafit (węgiel mineralny), wspólna sól, rafinowany cukier, żelazo, miedź, magnetyt, kwarc i wiele innych.

[TOC]

Charakterystyka stanu stałego

Materiały stałe mają główną cechę, że w normalnych warunkach to znaczy, jeśli nie podlegają wielkim wysiłkom zewnętrznym, zachowują swoją objętość i kształt.

Kontrastuje to z płynami, które, chociaż mogą zachować swoją objętość, zmieniają swój kształt, dostosowując się do zawieranego pojemnika. Kontrast jest jeszcze większy w przypadku gazów, ponieważ można je ściskać lub rozszerzać poprzez zmianę ich objętości i kształtu.

Jednak stałe mogą zmieniać objętość, gdy są poddawane zmianom temperatury wystarczająco szerokim, aby mieć znaczące efekty, ale bez przejścia fazowego występuje do innego stanu materii.

Solidki mogą być amorficzne w wewnętrznej strukturze molekularnej. Na przykład szkło jest materiałem amorficznym, nawet uważanym przez wielu za nadmiernie opanowany ciecz. Jednak kwarc i diament mają krystaliczną strukturę, to znaczy ich atomy są zgodne z regularnymi i przestrzennie układami.

Właściwości makroskopowe i mikroskopowe

Fizyka stanu stałego badań związek między właściwościami skali makroskopowej (tysiące lub miliony razy wyższe w skali atomowej) a właściwościami w skali molekularnej lub atomowej.

Może ci służyć: przepuszczalność magnetyczna: stała i stół

W stałym atomy są bardzo blisko siebie, a interakcja między nimi określa ich właściwości w skali makro, takie jak ich właściwości mechaniczne: sztywność i ciągliwość, a także ich właściwości termiczne, magnetyczne, optyczne i elektryczne.

Na przykład przewodność, pojemność cieplna i magnetyzacja są właściwościami makroskopowymi ciał stałych, które zależą bezpośrednio od tego, co dzieje się w skali molekularnej lub atomowej.

Jasnym przykładem znaczenia stałej fizyki są półprzewodniki. Zrozumienie jego właściwości na poziomie mikroskopowym pozwala na takie urządzenia, jak tranzystory, diody, obwody zintegrowane i światła LED, aby wymienić kilka aplikacji.

Struktura solidna

W zależności od warunków ciśnienia i temperatury, a także procesów, które trwają podczas ich tworzenia, materiały stałe nabierają pewnej struktury mikroskopowej.

Na przykład materiały tak odmienne jak grafit i diament składają się tylko z atomów węgla. Ale jego właściwości są zupełnie inne, ponieważ pomimo składania tego samego rodzaju atomów, ich struktury mikroskopowe różnią się znacznie.

Mikroskopowa struktura diamentu i grafitu

Specjaliści od metalurgii wiedzą, że na podstawie tego samego materiału, z różnymi obróbkami termicznymi, w opracowaniu elementów, takich jak noże i miecze, uzyskuje się bardzo różne wyniki. Różne zabiegi prowadzą do różnych struktur mikroskopowych.

W zależności od ich tworzenia stałe mogą zasadniczo prezentować trzy typy struktur mikroskopowych:

• Amorficzny, Jeśli w rozmieszczeniu atomów i cząsteczek nie ma regularności przestrzennej.
• Monokrystaliczne, Jeśli atomy są ułożone w kolejności przestrzennej, tworzenie układów lub komórek, które są powtarzane w nieskończoność w trzech wymiarach.
• Polyristalina, Złożone z kilku regionów, nie symetrycznych ze sobą, gdzie każdy region ma swoją własną strukturę monocystelską.

Może ci służyć: Ceded Heat: Formule, jak je obliczyć i rozwiązane ćwiczenia

Modele fizyki stałego i jej właściwości

Fizyka stałej części podstawowych zasad w celu wyjaśnienia właściwości materiałów stałych, takich jak przewodność cieplna i przewodność elektryczna.

Na przykład, stosując teorię kinetyczną do elektronów bez metalowych, są one traktowane tak, jakby były gazem.

I przy założeniu, że jony tworzą nieruchome podłoże, można wyjaśnić zarówno przewodność elektryczną, jak i przewodność cieplną metali. Chociaż w klasycznej wersji tego modelu przewodność termiczna wolnych elektronów jest większa niż w przypadku pomiarów w materiałach przewodzących.

Niedogodność jest rozwiązana poprzez wprowadzenie korekt kwantowych do modelu wolnego elektronowego przewodu stałego. Ponadto, jeśli mają przestrzegać statystyk Fermi-Dirac, wówczas prognozy teoretyczne zgadzają się dokładniej z pomiarami eksperymentalnymi.

Jednak model wolnych elektronów nie może wyjaśnić przewodności cieplnej stałych, które nie są metaliami.

W tym przypadku należy wziąć pod uwagę interakcję elektronów z siecią krystaliczną, która jest modelowana przez potencjał okresowy w równaniu Schrodingera. Model ten przewiduje pasma napędowe zależne od energii elektronów i wyjaśnia przewodność elektryczną w substancjach stałych półprzewodników, rodzaj pośredniej substancji stałej między izolatorem a metalem przewodzącym.

Przykłady stanu stałego

Fizyka stanu stałego ewoluowała do tego stopnia, że ​​pozwoliła na odkrycie nowych materiałów, takich jak Nanomateriały stałe Z unikalnymi i niezwykłymi właściwościami.

Innym przypadkiem przykładu w rozwoju fizyki stałej jest opracowanie dwóch wymiarowych lub monowarstwowych materiałów, a następnie zróżnicowane zastosowania, takie jak komórki fotowoltaiczne i opracowanie obwodów zintegrowanych półprzewodników.

Może ci służyć: waga (fizyczna): obliczenia, jednostki, przykłady, ćwiczenia Grafen Nanotubus

Klasycznym przykładem dwóch -wymiarów materiału jest Grafen, który jest niczym innym jak pojedynczym wykresem przylądkowym i który został uzyskany po raz pierwszy w 2004 roku.

Inne przykłady dwóch wymiarów stałych to: fosforeno, hydumben, krzemion i germacen.

Nadprzewodnicy o wysokiej temperaturze

Lewitacja magnesu za pomocą ceramicznego nadprzewodnika o wysokiej temperaturze

Nadprzewodność została odkryta w 1911 r. Przez holenderskiego Kamerlingh Onnes (1853–1926), kiedy poddała się bardzo niskim temperaturom (rzędu 4 K) materiałów przewodzących, takich jak rtęć, cyna i ołowiu.

Nadprzewodność ma ważne zastosowania technologiczne, takie jak pociągi z lewitacji magnetycznej, o ile można je uzyskać w wysokich temperaturach (najlepiej w temperaturze pokojowej).

Fizyka substancji stałej jest w tym poszukiwaniu nadprzewodników, rozumianych przez wysoką temperaturę powyżej temperatury ciekłego azotu (77 K), w stosunkowo łatwej i taniej temperaturze do uzyskania. Do chwili obecnej najwyższej temperatury nadprzewodnik jest ceramiczną substancją stałą, która osiąga ten stan w temperaturze 138 K lub -135ºC.

Silnie skorelowane substancje stałe

Silnie skorelowane substancje stałe są ciężkimi związkami fermionicznymi, które mają niezwykłe i wielkie potencjalne technologiczne właściwości. Na przykład można je manipulować, aby przejść od izolatorów do sterowników przez pola magnetyczne.

Opracowanie tego typu ciał stałych pozwoliło również magnetyczne urządzenia do przechowywania informacji na wykładniczo zwiększenie ich pojemności w ostatnich dziesięcioleciach.

Interesujące tematy

Przykłady ciał stałych.

Bibliografia

1. Martin, Joseph D. 2015. „Co jest w zmianie imienia? Fizyka stanu stałego, fizyka materii skondensowanej i nauk o materiałach ”(PDF). Fizyka z perspektywy. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. 1995. Wprowadzenie do fizyki stałego stanu. Redakcja.
3. Ashcroft i Mermin. 1976. Fizyka stałego stanu. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 2000. Elektronika fizyczna półprzewodnik. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Fizyka stałego stanu. Odzyskane z: jest.Wikipedia.com