Элементы физики твердого тела кратко

Обновлено: 30.06.2024

Физика твердого тела – обширный раздел науки, который изучает свойства и структуру материальных тел.

Рисунок 1. Свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Научные сведения о микроструктуре физических веществ и о химических свойствах составляющих их молекул крайне необходимы для создания новых материалов и технических приборов.

Физика твердого тела представляет собой фундамент, на котором базируется практически все современное технологическое общество. В целом, многомиллионная армия инженеров трудится над наилучшим применением на практике твердых материалов при моделировании и производстве самых различных инструментов, электронных и механических компонентов, станков, которые нужны в тех сферах, как транспорт, связь, компьютерное оборудование, а также фундаментальные эксперименты.

Научного сотрудника, которые работает в области физики твердого тела, прежде всего интересуют такие физические материалы, как сплавы и металлы, диэлектрики, полупроводники, магнитные элементы. Многие из них непосредственно относятся к кристаллическим частицам: их атомы движутся так, что формируют трехмерную правильную решетку – периодическую структуру. Нарушения идеальной концепции в основном обусловливается химическими различными примесями, незаполненными атомными узлами, молекулами внедрения (в промежутках между активными узлами), а также хаотичными дислокациями. Во многих случаях аналогичными отклонениями от строгой периодичности преимущественно определяются итоговые физические свойства кристаллических материальных тел.

Свойства и структура твердых тел

К физическим основным свойствам твердых тел относятся следующие:

тепловые;
механические;
электрические;
магнитные;
оптические.

Указанные характеристики наблюдают, исследуют и рассматривают изменение температуры, объема или давления, в условиях механических внутреннего напряжений, магнитных и электрических полей, температурных постоянных градиентов, а также под влиянием различных свето-излучений –рентгеновских лучей, пучков нейтронов и электронов.

Готовые работы на аналогичную тему

Существенная часть лабораторного оборудования, которая крайне необходима для изучения свойств физических тел, включает в себя твердотельные устройства.

Химические особенности твердых веществ особенно значимы при исследовании поверхностных эффектов и процессов. Абсолютное любое твердое тело состоит из молекул и атомов. Само его существование напрямую указывает на наличие внутренних сил притяжения, которое связывает частицы воедино, и сил отталкивания, без которых между элементами не возникло бы промежутков. В итоге таких взаимодействий атомы веществ постепенно теряют собственные индивидуальные свойства, и именно этим определяются новые, коллективные характеристики концепций молекул.

Свободный атом включает в свою структуру положительно заряженное ядро и определенное количество отрицательно заряженных электронов, масса которых гораздо меньше объема самого ядра. Известные всем кулоновские силы, которые функционируют между заряженными элементами, формируют притяжение между электронами и ядром, а также взаимное и систематическое отталкивание между движущимися электронами. Поэтому твердое вещество можно рассматривать как состоящее из концепции взаимно отталкивающихся частиц, которые в результате притягиваются друг к другу. Физические особенности такого объекта в основном определяются двумя фундаментальными физическими гипотезами – квантовой и статистической механикой.

Симметрия и классификация твердых тел

Рисунок 2. Кристаллография и кристаллофизика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Кристаллографией называется раздел науки, описывающий геометрические свойства твердых тел и кристаллов, а также их классификацию на базе определения симметрии.

Следовательно, исследование кристаллической структуры любого предмета лежит в основе физики твердого тела. Классификация кристаллов и решеток на основе понятия симметрии требует обязательного соблюдения строгих определений. Операцией симметрии считается такая система, которая образовалась под воздействием вещества и оставляет все его элементы неизменными. Тогда такой объект называется инвариантным относительно данной операции.

Существуют и иные операции симметрии для формирования пространственной решетки, а именно те, при которых материальная точка остается при любых обстоятельствах фиксированной (неподвижной). Аналогичные явления называются точечными и предполагают вращения вокруг векторов, проходящих через определенную линию, а также зеркальные отражения в средах, которые находятся в этой точке.

Хотя кристаллография сама по себе считается достаточно абстрактной областью науки, симметрия играет значимую роль при объяснении и описании физических характеристик твердых тел.

Например, трансляционная симметрия идеальных кристаллов позволила ученым развить весьма обобщенные теории, которые рассматривают распространение магнитных волн в элементах, в том числе упругих волн, непосредственно связанных с движением электронов.

Кристаллическая решетка

Рисунок 3. Кристаллическая решетка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Практически все свойства твердых рабочих тел возможно объяснить тем, что большинство из них обладает кристаллической структурой, которая характеризуется закономерной периодичностью распределения частиц из одного или группы ионов в среде на микроскопическом уровне. Поэтому введено такое определение как кристаллическая решетка. Повторяющаяся группа атомов в виде узлов решетки формирует базис.

Кристаллическая решетка – это совокупность важных геометрических точек, которые представляют собой центры физических базисов.

Упорядоченность и стабильность во взаимном расположении молекул в рабочих телах может быть обусловлена наличием ближнего и дальнего порядка, который связан с взаимодействием между элементами. Такой эффект носит название ближнего порядка, а упорядоченность, повторяющаяся на больших расстояниях – дальнего порядка.

В кристаллической периодической решетке возможно выделить определенную примитивную ячейку, повторяющуюся периодически по всему идеальному кристаллу. Выделяя такой объект, удается точно описать расположения атомов и ионов в материальном веществе и, следовательно, посредством данного механизма охарактеризовать общую структуру кристаллов. Каждую элементарную ячейку задают с помощью трех осей, называемых векторами физической трансляции, которые могут иметь различную длину. Трансляционное повторение таких эффектов в пространстве помогает получить решетки Бравэ. Решетка Бравэ представляет собой бесконечную периодическую структуру, обладающую одинаковым пространственным порядком и ориентацию независимо от того, какой узел был принят за начало отсчета. Одной из самых простых объемных решеток считается обычная кубическая решетка. Для изучения симметрии кристаллической решетки используют определения изменения симметрии.

Преобразованием симметрии также называется обобщенное хаотичное движение, которое в итоге совмещает фигуру саму с собой, оставив ее структуру инвариантной. Из него вытекает понятие элементов симметрии (плоскости, оси, центры системы), набор которых создает трансляционные и точечные группы симметрии.

Всего выделяют семь сингоний:

моноклинная;
триклинная;
ромбическая;
тетрагональная;
тригональная;
гексагональная;
кубическая.

В зависимости от начального порядка векторов симметрии сингонии объединяются в определенные категории. Таким образом, если подвергнуть решетки Бравэ изменениям симметрии, то можно получить все необходимые кристаллические структуры. Рассмотренные выше классификации кристаллической структуры и физического тела приняты в гипотезе групп, позволяющей с математической точки зрения описать симметрию абсолютно любого кристалла.

Физика твёрдого тела – часть физики конденсированного состояния, изучающая физические свойства и структуру твёрдых тел, с позиций их атомного строения.

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 что искали?

Просто напиши и мы поможем

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.

Существенная часть оснащения всех, без исключения, лабораторий, регистрирующая степень различных деформаций тел, изменения их температурного состояния, изменения объема или давления, включает в себя твердотельные устройства.

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

Кристаллография — это самостоятельная наука, изучающая строение, физические свойства кристаллов, условия их образования, описывающая геометрические характеристики кристаллов и твёрдых тел, а также их классификацию на основе определения операций симметрии

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.

Кристаллическая решётка – это, введенный для наглядности проводимого анализа строения кристалла, геометрический образ, имеющий сходство с сеткой или канвой. По другому определению, это совокупность геометрических точек, представляющих собой центры базисов.

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?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

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.

Читайте также: