FIZICA CORPULUI SOLID
FIZICA CORPULUI SOLID, ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile solidelor. Datele științifice privind microstructura solidelor și proprietățile fizice și chimice ale atomilor lor constituenți sunt necesare pentru dezvoltarea de noi materiale și dispozitive tehnice.
Soliditatea fizică este unul dintre acei piloni pe care se întemeiază societatea tehnologică modernă. De fapt, întreaga armată de ingineri care lucrează la cea mai bună utilizare a materialelor solide în proiectarea și fabricarea unei game largi de scule, utilaje, componente mecanice și electronice, care sunt necesare în domenii cum ar fi comunicațiile, transportul, echipamente informatice, precum și cercetarea de bază.
Cercetătorii care lucrează în domeniul fizicii de stat solide, materiale de interes, cum ar fi metale, aliaje, semiconductori, dielectrice și materiale magnetice. Multe dintre ele aparțin substanțelor cristaline: atomii lor sunt aranjați astfel încât să formeze o latură tridimensională obișnuită - o structură periodică. Disorders periodicității ideale pot fi cauzate de impurități chimice, unități neumplute (vacante) atomice, atomi interstițiale (în intervalele dintre nodurile) și luxații. În multe cazuri, astfel de încălcări sau abateri de la periodicitate strictă determină în mod semnificativ proprietățile fizice ale solidelor cristaline. Gestionarea concentrației unor astfel de defecte sau crearea lor în mod deliberat, puteți obține proprietăți "predefinite" ale substanțelor solide. O astfel de tehnologie joacă un rol primordial, de exemplu, în domeniul microelectronicii semiconductoare. O altă clasă de materiale de interes pentru fizica solidelor sunt materiale sticloase sau amorfe. Atomii din astfel de materiale sunt în general localizați în același mod ca în lichide, adică ele sunt ordonate numai în câteva distanțe interatomice de la fiecare atom luat pentru atomul central. Cu alte cuvinte, pentru ochelari, ordinea cu rază scurtă în aranjamentul atomilor este caracteristică, și nu pe distanțe lungi, ca în structura cristalului. Vedeți și CRISTALE; SEMICONDUCTOR INSTRUMENTE ELECTRONICE.
PROPRIETĂȚILE SOLIDELOR
Proprietățile fizice ale substanțelor solide includ proprietăți mecanice, termice, electrice, magnetice și optice. Acestea sunt studiate prin observarea comportamentului eșantionului atunci când se schimbă temperatura, volum sau presiune, în condiții de stres mecanic, câmpuri electrice și magnetice, gradienții de temperatură precum și sub influența diferitelor radiatii - lumina, razele X, fascicule de electroni, neutroni, etc. .
O mare parte din echipamentul de laborator necesar pentru studierea acestor proprietăți, în sine, constă în dispozitive de solid-state. Proprietățile chimice ale substanțelor solide sunt deosebit de importante în studiul fenomenelor de suprafață. Vezi de asemenea CHIMIE; CHEMISTRAREA FENOMENELOR SUPRAFEȚEI.
Structura.
Un corp solid constă din atomi. Însăși existența lui indică prezența forțelor intense de atracție, conectarea atomilor împreună și a forțelor repulsive, fără de care nu ar exista decalaje între atomi. Ca urmare a unor astfel de interacțiuni, atomii unui solid își pierd parțial proprietățile individuale, ceea ce explică noile proprietăți colective ale unui sistem de atomi, care se numește solid.
Care este natura acestor forțe? Un atom liber constă dintr-un nucleu încărcat pozitiv și un anumit număr de electroni încărcați negativ (a cărui masă este mult mai mică decât masa nucleului). Cunoscutele forțe Coulomb (electrice) care acționează între particulele încărcate creează o atracție între nucleu și electroni, precum și o repulsie reciprocă între electroni. Prin urmare, un corp solid poate fi considerat ca constând dintr-un sistem de nuclee reciproc respingatoare și un sistem de electroni reciproc respingători, ambele fiind atrase unul de celălalt. Proprietățile fizice ale unui astfel de obiect sunt determinate de două teorii fizice fundamentale - mecanica cuantică și mecanica statistică. Deși natura interacțiunilor dintre particule este cunoscută, numărul lor neobișnuit de mare (
10 22 nuclee și chiar mai mulți electroni pe 1 cm 3) nu ne permite să oferim o descriere teoretică exactă a unui solid. Vezi și STRUCTURA ATOM; ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM; MECANICI QUANTUM; MECANICĂ STATISTICĂ.
Utilizarea modelelor.
Solidul fizic adoptă de obicei modele simplificate ale unui solid și apoi calculează proprietățile fizice. Modelele ar trebui să fie suficient de simple pentru a permite descrierea lor teoretică și, în același timp, mai degrabă complexe, pentru a avea proprietățile cercetate. De exemplu, pentru a explica unele legi generale ale conductivității electrice, un model simplu al unui metal sub forma unui sistem de ioni pozitivi imersați într-un gaz de electroni mobili este destul de potrivit. Dar sa dovedit a fi extrem de dificil să se construiască un model fizic adecvat care să permită cel puțin calitativ explicarea fenomenului de superconductivitate descoperit în 1911 de fizicianul olandez Kamerling-Onnes.
Supraconductibilitate.
Se știe că, la temperaturi scăzute, multe metale și aliaje au o capacitate neobișnuită de a conduce electricitatea. (Curentul electric este o mișcare comandată de electroni.)
În 1956, fizicianul american L. Cooper a ajuns la concluzia că, în anumite condiții, conducerea electronilor dintr-un metal poate forma perechi slabe. Acestea sunt aceste perechi Cooper care stau la baza teoriei superconductivității Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), construită în 1957; în 1972 acești trei fizicieni americani au primit Premiul Nobel.
În starea superconductoare, substanța nu rezistă curentului electric. Prin urmare, substanțele supraconductoare sunt de mare interes pentru inginerii de putere care calculează cu ajutorul lor, de exemplu, să transmită curent electric pentru distanțe semnificative fără pierderi termice și alte pierderi. Cu toate acestea, peste o anumită temperatură (așa-zisă critică), superconductivitatea dispare și metalul are din nou o rezistență electrică. În anumite condiții, supraconductivitatea este de asemenea distrusă de un câmp magnetic. Curentul electric care trece prin supraconductor creează un câmp magnetic intrinsec pe suprafață și, prin urmare, există o limită superioară a densității curentului supraconductor deasupra căruia supraconductivitatea se prăbușește. Toate acestea, și în primul rând temperaturile critice scăzute, limitează posibilitățile de aplicare pe scară largă a supraconductorilor. Supraconductorii trebuie să fie răciți în mod continuu de hidrogen lichid sau chiar de heliu lichid mai bun. Cu toate acestea, înfășurările superconductoare (de exemplu, din aliaje de titan cu niobiu) au găsit deja o aplicare largă în electromagneți. Căutarea continuă pentru materiale noi (inclusiv cristale organice și polimeri) cu temperaturi critice ridicate, precum și posibilitățile de utilizare ulterioară a supraconductorilor. Specialiștii speră că în anii următori va începe aplicarea pe scară largă a supraconductorilor în motoare electrice și generatoare de producție industrială. Perspective deosebit de interesante promite utilizarea supraconductorilor în transportul feroviar. Când magnetul se mișcă în raport cu conductorul, în conductor sunt induse curenții turbionari, care la rândul lor generează câmpuri magnetice care resping magnetul în mișcare. Dotând, de exemplu, un tren cu un magnet supraconductor și utilizând o șină ca un conductor, este posibil să se obțină efectul suspensiei magnetice (levitatie). Astfel de trenuri magnetice ar trebui să aibă o serie de avantaje față de trenurile convenționale și trenurile cu perne de aer. Vezi și SUPERCONDUCTIVITATE.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: