Solid -state -fysiikan ominaisuudet, rakenne, esimerkit

Se Solid -state -fysiikka Fysiikan haara käsittelee aineen tutkimusta, kun se on alhaisen energian tilassa, nimeltään kiinteätila, käyttämällä fyysisiä teorioita, kuten kvanttimekaniikka, tilastollinen fysiikka, termodynamiikka, sähkömagnetismi ja kristallografia.

Kiinteässä tilassa molekyylien välinen vetovoimanergia on pienempi kuin lämpöenergia, siksi molekyylit voivat tuskin väristyä enemmän tai vähemmän kiinteitä asentoja. Jotkut kiinteät aineet ovat amorfisia molekyylitasolla, kun taas toisilla on järjestettävämpi rakenne, kuten kiteet.

Joitakin esimerkkejä kiinteistä materiaaleista ovat piidioksidihiekkaa, lasia, grafiittia (mineraalihiili), yleinen suola, puhdistettu sokeri, rauta, kupari, magnetiitti, kvartsi ja monet muut.

[TOC]

Solid -state -ominaisuudet

Kiinteillä materiaaleilla on pääominaisuus, että normaaleissa olosuhteissa, ts. Jos niihin ei sovelleta suuria ulkoisia ponnisteluja, ne säilyttävät tilavuutensa ja muodonsa.

Tämä on ristiriidassa nesteiden kanssa, jotka, vaikka ne voivat säilyttää tilavuutensa, muuttaa muotoaan sopeutumalla ne sisältämään säiliöön. Kontrasti on vielä suurempi kaasujen kanssa, koska ne voidaan puristaa tai laajentaa muuttamalla niiden tilavuutta ja muotoa.

Kiinteät aineet voivat kuitenkin muuttaa niiden tilavuutta, kun niihin kohdistuu lämpötilan muutoksia riittävän leveäksi, jotta heillä on merkittäviä vaikutuksia, mutta ilman vaihesiirtoa tapahtuu toiseen aineen tilaan.

Kiinteät aineet voivat olla amorfisia sen sisäisessä molekyylirakenteessa. Esimerkiksi Glass on amorfinen materiaali, jota monet pitävät jopa ylikuormitettuna nesteinä. Kvartsilla ja timantilla on kuitenkin kiteinen rakenne, ts. Niiden atomit seuraavat säännöllisiä ja alueellisesti säännöllisiä järjestelyjä.

Makroskooppiset ja mikroskooppiset ominaisuudet

Solid State -fysiikka tutkii makroskooppisten asteikkojen ominaisuuksien (tuhansia tai miljoonia kertoja korkeampi atomi -asteikolla) ja molekyyli- tai atomi -asteikon ominaisuuksien välinen suhde.

Se voi palvella sinua: magneettinen läpäisevyys: vakio ja taulukko

Kiinteässä atomissa ovat hyvin lähellä toisiaan ja niiden välinen vuorovaikutus määrittää niiden ominaisuudet makro -asteikolla, kuten niiden mekaaniset ominaisuudet: jäykkyys ja ulottuvuus ja myös niiden lämpö-, magneettiset, optiset ja sähköominaisuudet.

Esimerkiksi johtavuus, lämpökapasiteetti ja magnetointi ovat kiinteiden aineiden makroskooppisia ominaisuuksia, jotka riippuvat suoraan siitä, mitä tapahtuu molekyyli- tai atomi -asteikolla.

Selkeä esimerkki kiinteän fysiikan tärkeydestä ovat puolijohteet. Sen ominaisuuksien ymmärtäminen mikroskooppisella tasolla mahdollistaa laitteet, kuten transistorit, diodit, integroidut piirit ja LED -valot, vain muutamia sovelluksia.

Kiinteä rakenne

Paine- ja lämpötila -olosuhteista riippuen sekä niiden muodostumisen aikana seuranneista prosesseista kiinteät materiaalit saavat tietyn mikroskooppisen rakenteen.

Esimerkiksi materiaalit, jotka ovat yhtä erilaisia ​​kuin grafiitti ja timantti, koostuvat vain hiiliatomeista. Mutta sen ominaisuudet ovat täysin erilaisia, koska huolimatta siitä, että ne ovat koostuneet samantyyppisistä atomeista, niiden mikroskooppiset rakenteet eroavat suuresti.

Timantin ja grafiitin mikroskooppinen rakenne

Metallurgian asiantuntijat tietävät, että samaan materiaaliin perustuen erilaisilla lämpökäsittelyillä saadaan hyvin erilaisia ​​tuloksia, kuten veitset ja miekkat. Eri hoidot johtavat erilaisiin mikroskooppisiin rakenteisiin.

Niiden muodostumisesta riippuen kiinteät aineet voivat periaatteessa esiintyä kolmen tyyppisiä mikroskooppisia rakenteita:

• Amorfinen, Jos atomien ja molekyylien järjestelyssä ei ole paikallista säännöllisyyttä.
• Monokiteinen, Jos atomit on järjestetty alueellisessa järjestyksessä, muodostavat järjestelyt tai solut, jotka toistetaan määräämättömäksi ajaksi kolmen ulottuvuuden aikana.
• Polyristaliini, Koostuu useista alueista, jotka eivät ole symmetrisiä keskenään, missä jokaisella alueella on oma monokystallinen rakenne.

Voi palvella sinua: Ceded Heat: Formulat, miten se lasketaan ja ratkaistaan ​​harjoituksia

Kiinteän ja sen ominaisuuksien fysiikan mallit

Perusperiaatteiden kiinteän osan fysiikka kiinteiden materiaalien, kuten lämmönjohtavuuden ja sähkönjohtavuuden, selittämiseksi.

Esimerkiksi soveltamalla kineettistä teoriaa metallivapaisiin elektroneihin, niitä käsitellään ikään kuin ne olisivat kaasua.

Ja olettaen, että ionit muodostavat liikkumattoman substraatin, on mahdollista selittää sekä metallien sähkönjohtavuus että lämmönjohtavuus. Vaikka tämän mallin klassisessa versiossa vapaiden elektronien lämmönjohtavuus on suurempi kuin mitä johtavien materiaalien mittauksista saadaan.

Häiriö ratkaistaan ​​ottamalla käyttöön kvanttikorjaukset kiinteän johtimen vapaaseen elektronimalliin. Lisäksi, jos niiden oletetaan seuraavan Fermi-dirac-tilastoja, niin teoreettiset ennusteet sopivat tarkemmin kokeellisiin mittauksiin.

Vapaa elektronimalli ei kuitenkaan pysty selittämään kiinteiden aineiden lämmönjohtavuutta, jotka eivät ole metalleja.

Tässä tapauksessa on otettava huomioon elektronien vuorovaikutus kiteisen verkon kanssa, mikä on mallinnettu säännöllisellä potentiaalilla Schrodinger -yhtälössä. Tämä malli ennustaa elektronien energiasta riippuvaisia ​​vyöhykkeitä ja selittää sähkönjohtavuuden puolijohdekaineilla, erään eristeen ja johtavan metallin välisen väliaineiden tyyppinen välilaite.

Solid -state -esimerkit

Kiinteän tilan fysiikka on kehittynyt siihen pisteeseen, joka on mahdollistanut uusien materiaalien, kuten kiinteät nanomateriaalit Ainutlaatuisilla ja poikkeuksellisilla ominaisuuksilla.

Toinen esimerkki kiinteän fysiikan etenemisessä on kahden dimensionaalisten tai yksikerroksisten materiaalien kehittäminen, jota seuraavat erilaiset sovellukset, kuten aurinkosähkön solut ja puolijohde -integroitujen piirien kehitys.

Voi palvella sinua: Paino (fyysinen): Laskenta, yksiköt, esimerkit, harjoitukset Grafeeninanopubus

Klassinen esimerkki kahden dimensioisesta materiaalista on Grafeeni, mikä ei ole muuta kuin yksi viittakaavio ja joka saatiin ensimmäistä kertaa vuonna 2004.

Muita esimerkkejä kahdesta dimensioisesta kiinteästä aineesta ovat: fosforeno, plumben, pii ja germaceeni.

Korkean lämpötilan suprajohteet

Magneetin levitaatio korkean lämpötilan keraamisen suprajohdon avulla

Alankomaiden Kamerlingh Ones (1853-1926) löysi suprajohtavuuden vuonna 1911, kun se toimitti erittäin matalat lämpötilat (4 K: n järjestyksestä), kuten elohopea, tina ja lyijy.

Suprajohtavuudella on tärkeitä teknologisia sovelluksia, kuten magneettiset levitaatiojunat, kunhan se voidaan saada korkeissa lämpötiloissa (ihannetapauksessa huoneenlämpötilassa).

Kiinteän fysiikan fysiikka on tässä suprajohteiden etsinnässä, joka ymmärretään korkean lämpötilan yläpuolella nestemäisen typen lämpötilan (77 K), suhteellisen helpon ja halvan lämpötilan saamiseksi saamiseksi. Tähän päivään mennessä korkein lämpötila -suprajohde on keraaminen kiinteä aine, joka saavuttaa tämän tilan lämpötilassa 138 K tai -135ºC.

Voimakkaasti korreloivat kiintoaineet

Vahvasti korreloivat kiinteät aineet ovat raskaita fermionisia yhdisteitä, joilla on epätavallisia ja suuria teknologisia potentiaaliominaisuuksia. Esimerkiksi niitä voidaan manipuloida siirtymään eristeistä kuljettajiin magneettikenttien kautta.

Tämän tyyppisten kiinteiden aineiden kehittäminen on myös antanut tiedon magneettisten varastointilaitteiden lisäämisen eksponentiaalisesti niiden kapasiteetin lisäämisen viime vuosikymmeninä.

Kiinnostavia teemoja

Esimerkkejä kiinteistä aineista.

Viitteet

1. Martin, Joseph D. 2015. "Mikä nimenmuutos on? Solid State -fysiikka, tiivistetty ainefysiikka ja materiaalitiede ”(PDF). Fysiikka näkökulmasta. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. tuhatyhdeksänsataayhdeksänkymmentäviisi. Johdatus kiinteän tilan fysiikkaan. Toimitus.
3. Ashcroft ja Mermin. 1976. Solid -state -fysiikka. Saunders College.
4. Sheng S. Li. 2000. Fyysinen elektroniikan puolijohde. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Solid -state -fysiikka. Palautettu: on.Wikipedia.com