Элементы физики твердого тела

Элементы физики
твердого тела
Физика твердого тела — это наука о строении, свойствах твердых
тел (кристаллических и аморфных) и происходящих в них
физических явлениях.
Физика твёрдого тела — раздел физики конденсированного
состояния, задачей которого является описание физических свойств
твердых тел с точки зрения их атомарного строения.
Физика
твердого
тела
занимается
установлением
зависимостей между атомно-электронной структурой твердых тел,
их
составом
и
различными
физическими
свойствами
—
механическими,
тепловыми,
электрическими,
магнитными,
оптическими и другими.
Указанные
закономерности
устанавливаются
путем
использования
огромного
арсенала
современных
методов
исследования — электронно-микроскопических, рентгеновских,
электронно-графических и нейтроно-графических, электроннопарамагнитного, ферро- и антиферромагнитного резонансов,
оптических и других методов. Анализ полученных закономерностей
производится
с
привлечением
достижений
в
области
фундаментальных наук.
Как наука, физика твердого тела родилась в начале XX века в связи с
развитием рентгеновских методов определения структуры твердых
тел,
атомной
физики
и
квантовой
механики.
Развитие
стимулировалась широким спектром важных задач прикладного
характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.
В настоящее время физика твёрдого тела разбилась на большое
количество более мелких направлений.
Внешний вид алмаза
После открытия
серии простых
предсказаниями
фундаментальное
Схематическое изображение его кристаллической решетки
дифракции рентгеновских лучей и публикации
и весьма успешных работ с расчетами и
свойств
кристаллических
веществ
началось
изучение атомной структуры кристаллов.
В настоящее время методы и теория твердого тела, развитые для
описания свойств и структуры монокристаллов, широко применяются
для получения и исследования новых материалов: композитов и
наноструктур, квазикристаллов и аморфных твердых тел.
Физика твердого тела служит основой для изучения явлений
высокотемпературной
сверхпроводимости,
гигантского
магнетосопротивления и многих других перспективных современных
наукоемких технологий.
Физика твердого тела сводится, в сущности, к установлению связи
между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами,
обнаруживаемыми при объединении атомов или молекул в гигантские
ассоциации в виде регулярно-упорядоченных систем — кристаллов.
Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические
модели твердых тел. Реальные кристаллы и аморфные твердые тела
значительно сложнее, но эффективность и полезность простых
моделей едва ли можно переоценить. Предметом данной области
науки являются, прежде всего, свойства веществ в твердом состоянии,
их связь с микроскопическим строением и составом, эвристическое
прогнозирование и поиск новых материалов и физических эффектов в
них. Фактически физика твердого тела служит базой для физического
материаловедения.
 Кристаллофизика (кристаллография)
 Межатомное взаимодействие и основные типы связей в
твердых телах
 Дефекты в твердых телах
 Механические свойства твердых тел
 Колебания атомов кристаллической решетки
 Тепловые свойства твердых тел
 Основы зонной теории твердых тел
 Электрические свойства твердых тел
 Свойства диэлектриков
 Магнитные свойства твердых тел
 Сверхпроводимость
 Оптические свойства твердых тел
 Физические свойства аморфных твердых тел
Кристаллофизика (кристаллография)
Структура кристаллов и способы ее определения











Точечная симметрия кристаллов
Пространственная решетка кристалла
Трансляционная симметрия кристаллов.
Кристаллографические системы координат.
14 трансляционных решеток Бравэ
Кристаллографические символы узловых плоскостей и прямых
Трансляционные элементы симметрии
Обратная решетка
Основные понятия кристаллохимии
Методы определения атомной структуры твердых тел
Симметрия и физические свойства кристаллов
Межатомное взаимодействие. Основные типы
связей в твердых телах






Классификация твердых тел. Типы связи
Энергия связи
Молекулярные кристаллы
Ионные кристаллы
Ковалентные кристаллы
Металлы
Металлофизика - раздел физики, изучающий строение и свойства металлов.
Является
составной
частью
физики
твердого
тела.
Современная
металлофизика представляет собой синтез микроскопической теории,
объясняющей свойства металлов особенностями их атомного строения, и
теоретического металловедения, использующего макроскопические методы
термодинамики, механики сплошных сред и другое для исследования
строения и свойств реальных металлических материалов. Широкое
использование металлов привело к тому, что их основные физические и
химические свойства были изучены ещё в 19 в. Однако природа этих свойств
не могла быть понята без развития представлений об атомном строении
вещества и квантовой механики.
Дефекты в твердых телах
 Классификация дефектов
 Тепловые точечные дефекты
 Равновесная концентрация точечных дефектов
 Тепловые дефекты в бинарных кристаллах
 Радиационные дефекты
 Дислокации
 Контур и вектор Бюргерса
 Напряжения, необходимые для образования дислокации в
совершенном кристалле
 Движение дислокаций
 Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия дислокации
 Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами
 Источники дислокаций
 Дефекты упаковки и частичные дислокации
 Границы зерен
Механические свойства твердых тел





Напряженное и деформированое состояния твердых тел
Упругость. Закон Гука для изотропных твердых тел
Закон Гука для анизотропных твердых тел
Пластические свойства кристаллических твердых тел
Хрупкое разрушение
Колебания атомов кристаллической решетки





Одномерные колебания однородной струны
Упругие волны в монокристаллах
Колебания одноатомной линейной цепочки
Колебания одномерной решетки с базисом
Колебания атомов трехмерной решетки
Тепловые свойства твердых тел
 Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга-Пти
 Теория теплоемкости Эйнштейна
 Теория теплоемкости Дебая
 Вывод формулы для теплоемкости, исходя из представления о
фононах
 Теплоемкость металлов. Учет вклада свободных электронов
 Тепловое расширение твердых тел
 Теплопроводность твердых тел
 Теплопроводность, обусловленная атомными колебаниями
 Теплопроводность металлов. Учет вклада свободных электронов
 Диффузия в твердых телах
Основы зонной теории твердых тел
 Классификация твердых тел по величине электропроводности
 Уравнение Шредингера для твердого тела
 Одноэлектронное приближение
 Функции Блоха
 Свойства волнового вектора электрона в кристалле. Зоны
Бриллюэна
 Поверхность Ферми
 Энергетический спектр электронов в кристалле. Модель Кронига
— Пенни
 Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики,
полупроводники
 Эффективная масса электрона
 Энергетические уровни примесных атомов в кристалле
 Локализованные состояния, связанные с поверхностью
Электрические свойства твердых тел
 Основные свойства металлов
 Электропроводность металлов
 Собственная проводимость полупроводников
 Проводимость примесных полупроводников
 Электропроводность диэлектриков
 Свойства твердых тел в сильных электрических полях
 Эффект Холла
 Влияние поверхностных уровней на электрические свойства
твердых тел
Свойства диэлектриков
 Поляризация диэлектриков. Основные характеристики
 Электронная упругая поляризация
 Ионная упругая поляризация
 Дипольная упругая поляризация
 Особенности тепловой поляризации
 Ионная тепловая поляризация
 Электронная тепловая поляризация
 Дипольная тепловая поляризация
 Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью
 Частотная зависимость диэлектрической проницаемости
 Некоторые особенности поляризации нецентросимметричных
диэлектриков
 Сегнетоэлектрики
 Диэлектрические потери
Магнитные свойства твердых тел
 Классификация магнетиков
 Природа диамагнетизма
 Природа парамагнетизма
 Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
 Ферромагнетизм. Молекулярное поле Вейсса
 Опыт Дорфмана
 Обменное взаимодействие и его роль в возникновении
ферромагнетизма
 Спиновые волны
 Антиферромагнетизм и ферримагнетизм
 Ферромагнитные домены
 Магнитный резонанс
Сверхпроводимость















Нулевое сопротивление
Температура сверхпроводящего перехода
Идеальный диамагнетизм
Критическое магнитное поле
Кристаллическая структура и изотопический эффект
Электронный вклад в теплоемкость
Поглощение электромагнитного излучения
Квантование магнитного потока
Эффекты Джозефсона
Высокотемпературная сверхпроводимость
Теория сверхпроводимости Ф. и Г. Лондонов
Теория Гинзбурга—Ландау
Притяжение между электронами
Куперовские пары
Теория Бардина—Купера—Шриффера
Оптические свойства твердых тел
 Виды взаимодействия света с твердым телом
 Оптические константы
 Поглощение света кристаллами
 Рекомбинационное излучение в полупроводниках
 Спонтанное и индуцированное излучение. Твердотельные
лазеры
Физические свойства аморфных твердых тел






Структура аморфных твердых тел
Энергетический спектр некристаллических твердых тел
Аморфные полупроводники
Применение аморфных полупроводников
Аморфные диэлектрики
Аморфные металлы
Учебная литература
1. Задачник по физике: учебное пособие / А. Г. Чертов, А. А.
Воробьев. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа,
1988. — 526 с.
http://fizi4ka.com
http://technofile.ru/files/phys.php
http://exir.ru/other/chertov
2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. Учебник. М.:
«Высшая школа», 3-е изд.испр. 2000 год. 497 стр.
http://padabum.com/d.php?id=17666
http://review3d.ru/pavlov-p-v-xoxlov-a-f-fizika-tverdogo-tela-3-e-izdstereotip
3. Задачи по физике твердого тела./Под ред. Голдсмида. – М.:
Наука, 2000. – 429 с.
http://www.newlibrary.ru/download/pod_red__goldsmida_g_dzh_/zad
achi_po_fizike_tverdogo_tela.html
http://padabum.com/d.php?id=5940
http://www.libedu.ru/l_b/pod_red__goldsmida_g_dzh_/zadachi_po_fiz
ike_tverdogo_tela.html