ФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА
ФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА, розділ фізики, що вивчає структуру і властивості твердих тіл. Наукові дані про мікроструктурі твердих речовин і про фізичні і хімічні властивості складових їх атомів необхідні для розробки нових матеріалів і технічних пристроїв.
Фізика твердого тіла - один з тих стовпів, на яких покоїться сучасне технологічне суспільство. По суті, вся армія інженерів працює над найкращим використанням твердих матеріалів при проектуванні і виготовленні найрізноманітніших інструментів, верстатів, механічних та електронних компонентів, необхідних в таких областях, як зв'язок, транспорт, комп'ютерна техніка, а також фундаментальні дослідження.
Дослідника, що працює в галузі фізики твердого тіла, цікавлять такі матеріали, як метали і сплави, напівпровідники, діелектрики і магнітні матеріали. Багато з них відносяться до кристалічним речовин: їх атоми розташовані так, що утворюють правильну тривимірну грати - періодичну структуру. Порушення ідеальної періодичності можуть бути обумовлені хімічними домішками, незаповненими (вакантними) атомними вузлами, атомами впровадження (в проміжках між вузлами), а також дислокациями. У багатьох випадках подібними порушеннями або відхиленнями від суворої періодичності істотно визначаються фізичні властивості кристалічних твердих тіл. Керуючи концентрацією подібних дефектів або цілеспрямовано створюючи їх, можна отримувати «наперед задані» властивості твердих тіл. Така технологія грає першорядну роль, наприклад, в області напівпровідникової мікроелектроніки. Інший клас матеріалів, що представляє інтерес для фізики твердого тіла, - це стеклообразниє, або аморфні, матеріали. Атоми в таких матеріалах розташовуються в загальному так само, як і в рідинах, тобто вони впорядковані лише в межах декількох міжатомних відстаней від кожного атома, прийнятого за центральний. Інакше кажучи, для стекол характерний ближній порядок в розташуванні атомів, а не далекий, як в кристалічній структурі. Див. Також КРИСТАЛИ; Напівпровідникові ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ.
Властивості ТВЕРДИХ ТІЛ
До фізичних властивостей твердих тіл відносяться механічні, теплові, електричні, магнітні та оптичні властивості. Їх вивчають, спостерігаючи, як веде себе зразок при зміні температури, тиску або об'єму, в умовах механічної напруги, електричних і магнітних полів, температурних градієнтів, а також під впливом різних випромінювань - світла, рентгенівських променів, пучків електронів, нейтронів і т.п .
Значна частина лабораторного обладнання, необхідна для вивчення цих властивостей, сама складається з твердотільних пристроїв. Хімічні властивості твердих тіл особливо істотні при вивченні поверхневих явищ. Див. Також ХІМІЯ; ХІМІЯ ПОВЕРХНЕВИХ ЯВИЩ.
Структура.
Тверде тіло складається з атомів. Саме його існування вказує на наявність інтенсивних сил тяжіння, що зв'язують атоми воєдино, і сил відштовхування, без яких між атомами не було б проміжків. В результаті таких взаємодій атоми твердого тіла частково втрачають свої індивідуальні властивості, і саме цим пояснюються нові, колективні властивості системи атомів, яка називається твердим тілом.
Яка природа цих сил? Вільний атом складається з позитивно зарядженого ядра і деякого числа негативно заряджених електронів (маса яких значно менше маси ядра). Добре відомі кулонівських (електричні) сили, що діють між зарядженими частинками, створюють тяжіння між ядром і електронами, а також взаємне відштовхування між електронами. Тому тверде тіло можна розглядати як що складається з системи взаємно відштовхуються ядер і системи взаємно відштовхуються електронів, причому обидві ці системи притягуються один до одного. Фізичні властивості такого об'єкта визначаються двома фундаментальними фізичними теоріями - квантовою механікою та статистичної механікою. Хоча характер взаємодій між частинками відомий, їх надзвичайно велике число (
10 22 ядер і ще більше електронів в 1 см 3) не дозволяє дати точне теоретичний опис твердого тіла. Див. Також атома будова; ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ; КВАНТОВА МЕХАНІКА; СТАТИСТИЧНА МЕХАНІКА.
Використання моделей.
У фізиці твердого тіла зазвичай приймають спрощені моделі твердого тіла і потім проводять обчислення їх фізичних властивостей. Моделі повинні бути досить простими, для того щоб було можливо їх теоретичний опис, і в той же час досить складними, для того щоб вони мали досліджуваними властивостями. Наприклад, для пояснення деяких загальних закономірностей електричної провідності цілком підходить проста модель металу у вигляді системи позитивних іонів, занурених в газ рухливих електронів. Але виявилося вкрай важко побудувати відповідну фізичну модель, яка дозволила хоча б якісно пояснити явище надпровідності, відкрите в 1911 голландським фізиком Камерлінг-Оннес.
Надпровідність.
Відомо, що при низьких температурах у багатьох металів і сплавів надзвичайно підвищується здатність проводити електрику. (Електричний струм являє собою впорядкований рух електронів.)
У 1956 американський фізик Л.Купер прийшов до висновку, що при певних умовах електрони провідності в металі можуть утворювати слабо пов'язані пари. Саме ці куперовские пари лежать в основі знаменитої теорії надпровідності Бардіна - Купера - Шриффера (БКШ), побудованої в 1957; в 1972 ці три американських фізика були удостоєні Нобелівської премії.
У надпровідного стану речовина не чинить опору електричному струму. Тому надпровідні речовини становлять великий інтерес для енергетиків, які розраховують з їх допомогою, наприклад, передавати електричний струм на значні відстані без теплових та інших втрат. Однак вище певної (так званої критичної) температури надпровідність зникає, і у металу знову з'являється електричний опір. У деяких умовах надпровідність руйнується також магнітним полем. Електричний струм, що проходить через надпровідник, створює на поверхні власне магнітне поле, а тому існує верхня межа щільності надпровідного струму, вище якого надпровідність також руйнується. Все це, і в першу чергу низькі критичні температури, обмежує можливості широкомасштабного застосування надпровідників. Надпровідники необхідно безперервно охолоджувати рідким воднем, а ще краще рідким гелієм. Проте, надпровідні обмотки (наприклад, зі сплавів титану з ніобієм) вже знайшли широке застосування в електромагнітах. Триває пошук нових матеріалів (в тому числі органічних кристалів і полімерів) з більш високими критичними температурами, а також можливостей подальшого застосування надпровідників. Фахівці сподіваються, що широкомасштабне застосування надпровідників в електродвигунах і генераторах промислового виробництва почнеться вже в найближчі роки. Особливо захоплюючі перспективи обіцяє застосування надпровідників в рейковому транспорті. При русі магніту щодо провідника в провіднику індукуються вихрові струми, які в свою чергу породжують магнітні поля, відразливі рухомий магніт. Забезпечивши, наприклад, поїзд надпровідним магнітом і використовуючи рейок в якості провідника, можна домогтися ефекту магнітного підвішування (левітації). Такі поїзди на магнітній підвісці повинні, як вважається, мати ряд переваг перед звичайними поїздами і поїздами на повітряній подушці. Див. Також надпровідності.