Физика твёрдого тела

1. Свойства и структура твёрдых тел
2. Симметрия и классификация твёрдых тел
3. Кристаллическая решётка

Это направление физики получило свой стремительный подъем с открытием квантовой механики, и особенно, после бурного прогресса в производстве полупроводниковой техники. Для него потребовалась разработка новых материалов, а значит более глубокое изучение микроструктуры веществ и их, как физических, так и химических свойств.

Физика твёрдого тела стала той опорой, теми тремя китами, на которых держатся все современные прогрессивные технологии. Ни одна сфера нашей сегодняшней жизни, от производства металла, бытовой техники, транспорта, до мобильных телефонов и компьютерного оборудования, не обходится без использования новейших открытий в физике твёрдого тела.

Физика по сути, это экспериментальная наука, и для проведения фундаментальных экспериментальных исследований также требуется высокоточное оборудование с применением новейших технологий, в том числе и разработок в физике твёрдых тел.

Многомиллионная армия научных сотрудников, инженеров и лаборантов трудится над практическим применением экспериментальных результатов по твердому сырью для разработки, совершенствования и производства новейших технических приспособлений, механизмов машин, станков, инструментов, электронных и механических устройств и аппаратов, которые так нужны в различных сферах нашей жизнедеятельности.

Исследовательские разработки в разных сферах физики твёрдого тела, прежде всего ведутся по таким основным сырьевым компонентам, как металлы и сплавы, диэлектрики, полупроводники и магнетики. Большинство из них имеют кристаллическую структуру. Их атомы и молекулы образуют трехмерно-периодическую пространственную укладку, именуемую кристаллической решёткой.

Отступления от идеальной формы кристаллической решётки бывают обусловлены возникновением вакансий в узлах решётки, заполнением этих узлов чужеродными атомами, возникновением междоузельных атомов или молекул, а также различного рода дислокациями. В основном подобные отступления от строгой периодичности структуры приоритетны при окончательном формировании итоговых физических свойств реальных кристаллических тел.

Не нашли то, что искали?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип работы Выберите тип работыКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Свойства и структура твёрдых тел

Специфическое поведение твёрдых тел при воздействии на них различных видов энергий и называют их физическими свойствами. Из основных способов воздействия на тело можно выделить механический, термический, электрический, магнитный и световой. Согласно такому воздействию и квалифицируются физические свойства:

• Механические;
• Тепловые;
• Электрические;
• Магнитные;
• Оптические.

Выше перечисленные свойства изучаются в условиях воздействия механических сил, повышенных и низких температур, электрических и магнитных полей различной мощности, рентгеновского и разного рода светового излучения, направленных пучков нейтронов или электронов.

Химические характеристики твердых материалов приобретают большую значимость при исследовании поверхностных эффектов и процессов. Любое твёрдое тело, как и любое вещество, состоит из атомов и молекул. Твёрдые тела имеют упорядоченную структуру их расположения. Такая конфигурация имеет более низкий уровень энергии, поэтому более устойчива, чем при хаотическом размещении атомов и молекул.

Но уже как раз наличие атомов в кристаллической решётке обуславливает присутствие внутренних сил притяжения и отталкивания. И именно они, как связывают частицы в одно целое, так и обеспечивают наличие промежутков между ними. Следствием подобного взаимодействия получается, наступающая через некоторое время, потеря атомами индивидуальных, только им присущих, свойств и приобретение ними абсолютно новых, уже коллективных, характеристик определенной группы молекул.

В структуру атома входят положительно заряженное ядро и электроны, имеющие отрицательный заряд. Масса электронов намного меньше массы ядра, примерно несколько сотых процента от его массы. Функционирование кулоновских сил между заряженными субъектами взаимодействия осуществляет формирование притягивающих сил между ядром и электронами и систематически взаимно отталкивающих сил между движущимися электронами.

В то же время атомы и молекулы твёрдого тела в сущности сохраняют свое взаимное положение по отношению к другим атомам и молекулам. Говоря по-другому, плотно упакованы вместе и совершают небольшие колебания в районе положений равновесия.

Поэтому такие твёрдые объекты рассматриваются, как предметы, состоящие из групп взаимно отталкивающихся и в то же время притягивающихся частиц. Их физические свойства и особенности изучает не только физика твёрдого тела, как самостоятельная единица физики, но и такие разделы, как например, статика и кинетика, квантовая физика и другие её подразделения.

Симметрия и классификация твёрдых тел

Эта наука тесно связана с минералогией, химией и физикой твёрдого тела. Кристаллом называют любое твёрдое тело в форме многогранника, материальные частицы материала которого - ионы, атомы, молекулы - расположены закономерно в виде пространственной или, с более распространенным названием, кристаллической решётки. Значит, изучение кристаллической структуры твёрдых субстанций и есть основополагающим фундаментом физики твёрдого тела.

Классификация кристаллов и их решеток проводится на основе понятия симметрии. Кристаллическая решётка способна обладать различными видами симметрии. Под этим утверждением подразумевается свойство решётки совпадать сама с собой при некоторых пространственных перемещениях, например, поворотах, отражениях и других действиях. Такие преобразования называются операциями симметрии.

Геометрические образы, осуществляющие операции симметрии, называются элементами симметрии. Симметрию кристаллов описывают точечной группой симметрии. Она является совокупностью всех имеющихся в данном кристалле элементов симметрии, которые пересекаются в одной точке, всегда остающейся неподвижной. Отсюда и происходит название этих групп - точечные.

В них могут встречаться такие элементы симметрии: поворотные, инверсионные, зеркально-поворотные оси, плоскости зеркального отражения и другие. Кристаллография, по мнению большинства ученых, довольно абстрактная область науки, но симметрия играет весомую роль в практическом объяснении и описании физических особенностей твёрдых тел.

Кристаллическая решётка

Все особенности свойств и характеристик твёрдых тел объясняются наличием кристаллической структуры на микроскопическом уровне, характеризующейся закономерной периодичностью распределения частиц, состоящих из одного или нескольких ионов. Исходя из этого сложилось определение кристаллической решётки, основу которой формируют ее узлы, состоящие из повторяющейся группы атомов.

Еще нужно четко разделять понятия «кристаллическая решётка» и «кристаллическая структура». Кристаллическая структура - это реальная картина атомного строения кристалла в целом, а кристаллическая решётка - это некий геометрический образ, с помощью которого описывается трехмерная периодичность в расположении атомов и других частиц в пространстве кристалла.

Наличие определенной упорядоченности во взаимном расположении атомов и молекул в твёрдых телах всегда определена наличием ближнего или дальнего порядка. Если промежутки сравнимы с межатомными, то это будет ближний порядок. Если упорядоченность повторяется на бесконечно больших промежутках, то это будет дальний порядок.

В любой кристаллической решётке имеется возможность выделить некую примитивную ячейку, которая периодически повторяется по всему кристаллу. Её выделение дает возможность точного описания расположения атомов и ионов в кристаллическом материале, и посредством этих элементов симметрии получить характеристику общей структуры кристалла. Для этого используют векторную трансляцию.

Каждую элементарную, или ранее названную примитивную, ячейку задают с помощью трех осей, называемых векторами физической трансляции. Эти векторы бывают различной длины. Трансляционный повтор таких эффектов в пространстве кристалла помогает получить решётки Браве. Решётка Браве — это математическая схема, отражающая трансляционную симметрию кристалла.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип задания Выберите тип заданияКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Таких решёток 14. С их помощью можно описать всю многоликость мира кристаллов. Они представляют собой бесконечную периодическую структуру, обладающую одинаковым пространственным порядком и ориентацию независимо от того, какой узел был принят за начало отсчета. Примером самой простой объемной решётки считается обычная кубическая решётка. По видам элементарной ячейки определяют к какой из семи сингоний принадлежит решётка Браве:

• Моноклинной;
• Триклинной;
• Тетрагональной;
• Тригональной;
• Ромбической;
• Гексагональной;
• Кубической.

Для изучения симметрии кристаллической решётки используют определение изменения симметрии. В широком понимании слово симметрия, это неизменность объекта, проявленная при преобразованиях описывающих их переменных. Одним словом - инвариантность. Классическая теория симметрии кристаллов, это теория симметрических преобразований в себя трехмерного пространства с учетом факта, что внутренняя структура тела описывается как кристаллическая решётка.

При преобразовании симметрии само пространство не деформируется, а остается жестким целым. По окончании преобразования симметрии части исследуемого объекта, которые находятся в одном месте, полностью совпадают с частями этого объекта, находящимися в другом месте. Это подтверждается фактом наличия в симметричном объекте совместимых или зеркальных частей.

Исследуемому объекту, твёрдому телу или кристаллу, в реальности присуща не одна, а несколько операций симметрии, и каждой такой операции составляется геометрический образ или элемент симметрии - точка, прямая, плоскость - относительно которого производится данная операция. Набор таких элементов создает трансляционные и точечные группы.

Классификация групп ведется по числу измерений пространства, в котором объект периодичен. А также, по числу измерений пространства, в которых они определены, и по другим признакам. Всего групп тридцать две. Таким образом, если подвергнуть решётки Браве изменениям симметрии, то можно получить все необходимые кристаллические структуры и с математической точки зрения описать симметрию абсолютно любого кристалла и любого твёрдого тела.