Предмет фізики твердого тіла

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНЫ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

КОРСУНОВ К.А.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни

«ВСТУП ДО ФІЗИКИ ТВЕРДОГО ТІЛА»

(для студентів, які навчаються по напряму підготовки

«Прикладна фізика», спеціальність 6.040204)

Луганск - 2011

УДК 53.072; 519.6

Конспект лекцій з дисципліни «Вступ до фізики твердого тіла» (для студентів, які навчаються по напряму підготовки «Прикладна фізика», спеціальність 6.040204) / Корсунов К.А. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2011. – 138 с.

Конспект лекцій містить основи фізики твердого тіла, що включають кристалографічний опис кристалів, зв’язок між їх атомно-електронною структурою та фізичними властивостями; зокрема, механічними, тепловими, електричними та магнітними. Наведені основи зонної теорії твердих тіл та її застосування до напівпровідників, металів та діелектриків.

Конспект лекцій призначено для студентів спеціальності «Прикладна фізика»

Укладач К.А. Корсунов, доц.

Відповідальний

за випуск Ю.А. Бранспиз, проф.

Рецензент В.С. Хлевнюк, доц.

ПРЕДМЕТ ФІЗИКИ ТВЕРДОГО ТІЛА

Предметом фізики твердого тіла (ТТ) є вивчення складу твердих тіл, їх атомно-електронної структури, встановлення залежності між складом і структурою і різними фізичними властивостями, у першу чергу, кристалічних матеріалів.

Відомо, що речовини в природі можуть перебувати в чотирьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовому.

Критерієм різних агрегатних станів речовини є співвідношення величин П_min і kТ. Тут П_min — найменша потенційна енергія взаємодії молекул, kТ - теплова енергія молекул.

Якщо:

П_min << kТ — газ,

П_min ≈ kТ — рідина,

П_min >> kТ — твердий стан.

Тверді тіла володіють пружністю форми, тобто тверде тіло має здатність зберігати (при незмінній температурі і тиску) свою форму і розміри.

Тверді тіла можна розділити на кристалічні та аморфні.

Аморфні тіла можна розглядати як переохолоджені рідини з дуже високим коефіцієнтом в'язкості. Виявляється, у аморфних тіл можна спостерігати слабко виражене властивість плинності. Аморфні тіла по деяких властивостях і за будовою ближче підходять до рідини, тобто в аморфних тілах спостерігається «ближній порядок» в розташуванні атомів. Це призводить до значної ізотропності властивостей таких тіл. При нагріванні аморфних тіл немає яскраво вираженої температури плавлення, їх в'язкість зменшується поступово, тобто питома теплота плавлення у аморфних тіл відсутня. Температура Т_п, відповідна точці перегину П, називається температурою розм'якшення аморфного тіла (див. рис. 1.1).

T

ТТ

Аморфне тіло П (точка перегину)

Т_пл

Т_п

Q

Рисунок 1.1 – Залежність температури Т тіла від кількості отриманої ним теплоти Q

Кристалічні тіла характеризуються регулярністю внутрішнього розташування атомів, при цьому спостерігається «далекий порядок». Властивості кристалічних тіл:

– здатність самоогранятися;

– анізотропія теплових, електричних, оптичних, механічних та інших властивостей;

– фіксована температура плавлення Т_пл (див.рис.1.1).

Відзначимо, що структури з упорядкованим розташуванням атомів мають більш низьку енергію і тому більш стійкі, ніж при хаотичному розташуванні атомів.

Кристалічний стан – це рівноважний, найбільш стійкий стан твердого тіла.

Аморфна речовина мимовільно переходить в кристалічну, проте протилежний процес ніколи не спостерігається.

За типом хімічних зв'язків кристали класифікуються на іонні, ковалентні, металеві, молекулярні і кристали з водневими зв'язками.

Рідина є агрегатним станом речовини, проміжним між газоподібним і твердим. Рідина, подібно ТТ, володіє певним обсягом, а подібно газам, приймають форму судини. Характер розташування частинок рідини проміжний між газом і ТТ. У рідинах має місце «ближній порядок» в розташуванні часток, тобто їх впорядковане розташування повторюється на відстанях, порівнянних з міжатомними. Теорія рідини до теперішнього часу повністю не розвинена. Розробка ряду проблем у дослідженні складних властивостей рідини належить Я. І. Френкелю: кожна молекула протягом деякого часу коливається біля положення рівноваги, після чого стрибком переходить у нове положення.

Полімери – органічні аморфні тіла, молекули яких складаються з великого числа однакових довгих молекулярних ланцюжків, з'єднаних хімічними (валентними) зв'язками.

До полімерів відносяться природні та штучні органічні речовини. Полімери мають міцність і еластичність. Це пояснюється тим, що довгі молекулярні ланцюжки можуть при деформації або згортатися в щільні клубки, або витягатися в прямі лінії. Еластичність полімерів проявляється тільки в певному інтервалі температур, нижче якого вони стають твердими і тендітними, а вище - пластичними.

Теорія полімерів до теперішнього часу повністю не розроблена.

Дата добавления: 2015-07-14