O tem, kaj so kondenzirane snovi in kako se z njimi ukvarja teoretična fizika 18.01.2002. Oddelek VIII

Tipičen kondenziran medij je, ko je delcev veliko in vsak delec "živi" ne svoje ločeno življenje ali celo v paru s sosedom, ampak v "miru in harmoniji" s celim nizom najbližjih sosedov.

Šolski primeri kondenzirane snovi: trdna snov (npr. kristal) in tekočina. Bolj eksotični mediji: elektronski in drugi kvantne tekočine , supertekoči helij , tekoči kristali, različno razpršeni sistemi(geli, paste, emulzije, suspenzije), nevtronska snov , kvark-gluonska plazma. In končno, množica ljudi v paniki, gost tok avtomobilov na cestah in tisto kompleksno računalniško omrežje, ki mu pravimo internet, so prav tako primeri kondenzirane snovi.

Zakaj je fizika kondenzirane snovi tako zanimivo in aktivno področje raziskovanja? Dejstvo je, da zaradi dejstva, da je gibanje vsakega posameznega delca v kondenziranem mediju močno povezano z gibanjem številnih sosedov; enačbe, ki opisujejo gibanje delcev, so med seboj močno »prepletene«. Ne boste mogli na primer najprej rešiti enačbe gibanja prvega delca, nato drugega itd. Naenkrat je treba rešiti vse enačbe gibanja, za milijarde, kvintiljone itd. posamezne delce. Takih sistemov enačb ni enostavno rešiti, ampak si jih je celo težko predstavljati.

Ta situacija je depresivna, kajne? Toda teoretični fiziki so iznajdljivi ljudje in malo po malo so se naučili opisovati sisteme, ki so na prvi pogled nepredstavljivo zapleteni. (Pravzaprav je po mojem mnenju zavedanje te slepe ulice in poskusi izhoda iz nje trenutek rojstva prave teoretične fizike; a o tem bom pisal kdaj kasneje.)

Najbolj znan primer, kako rešiti bilijone enačb hkrati, je zgodba o fononih. Predstavljajte si, da imamo kristal. Vsak atom v njem čuti več svojih najbližjih sosedov in to zelo, zelo močno. En sam atom ne more vibrirati, zagotovo bo s seboj potegnil še svoje sosede. Posledično, ko »zavibriramo« posamezni delec, takoj vključimo njegove neposredne sosede v gibanje, tako da se čez nekaj časa vsa snov, vsi delci začnejo premikati.

Poglejmo čisto drugače Česa sestoji iz kristala, kako on živi. Vibracije posameznih atomov so nekaj ne preveč priročnega načina za govorjenje o življenju kristalov. Če pa govorimo o določenih usklajenih nihanjih vseh delcev hkrati fononi ko celotno gibanje kristalna mreža razume potujoči sinusni val, potem postane vse osupljivo preprosto. Izkazalo se je, da posamezni fononi živijo neodvisno življenje: lahko dolgo "tečejo" po kristalu in prehajajo drug skozi drugega. In to pomeni, da so enačbe, ki opisujejo vsak posamezen fonon, rešene neodvisno in torej v.

Seveda vse to velja za idealen kristal, ko je mreža strogo periodična, ko ni nobenih napak, ko meje kristala ne vplivajo na njegovo notranjo življenjsko dobo in končno, ko lahko vibracije štejemo za linearne (kar vključuje neinterakciju fononov). Pravi kristali niso taki, zato zgoraj opisane lastnosti zanj niso strogo izpolnjene, ampak le približno. Toda to je tudi povsem dovolj za razlago številnih pojavov, ki se dogajajo v kristalu.

Seveda lahko kdo trdi, da imamo v resnici vibracije atomov in ne fononov. Toda, recimo, ko opisujemo termodinamične lastnosti kristala, ga je najlažje zaznati kot plin fononov. In če sem iskren, ne vem, ali je mogoče zgraditi celotno statistično fiziko kristala, ne da bi se kdaj obrnili na koncept fononov.

Pravzaprav prehod iz posameznih atomov v fonone ni nič drugega kot Fourierjeva transformacija od koordinat do (kvazi)momentov. Izkazalo se je le, da je v impulzni predstavitvi kristal videti veliko preprostejši kot v koordinatni predstavitvi.

Življenjska doba kristala seveda ni omejena samo na vibracije kristalne mreže. Zato so tukaj opisani fononi le najpreprostejši v celotni družini kvazidelcev, ki naseljujejo trdno telo.

VRSTE VEZI V KRISTALIH

Obstoj stabilnih vezi med atomi v trdni snovi pomeni, da je skupna energija kristala manjša od skupne energije ustreznega števila prostih atomov (med seboj oddaljenih na velikih razdaljah). Razlika med tema energijama se imenuje energija kemijske vezi ali preprosto vezivno energijo.

Sile, ki povezujejo atome, so skoraj povsem električne narave, vloga magnetnih interakcij je nepomembna (eV/atom), gravitacijske interakcije pa skoraj nič. Tudi za najtežje atome bo eV/atom.

Vendar je treba opozoriti, da upoštevanje samo elektrostatične interakcije ne pojasni stabilnosti kristala. Dejansko je po Earnshawovem izreku stabilna statična konfiguracija električnih nabojev nemogoča. Zato je treba upoštevati sile, ki so kvantnomehanske narave.

Razvrstitev kondenzirane snovi po vrstah vezi

Od agregatnih stanj snovi sta dve - trdno in tekoče - imenovani kondenzirani.

Vse vrste povezav med atomi nastanejo zaradi privlačnosti ali odbijanja električnih nabojev. Vrsta in moč vezi sta določeni z elektronsko zgradbo medsebojno delujočih atomov. Ne glede na naravo sil, ki nastanejo, ko se atomi približujejo drug drugemu, njihova narava ostaja enaka: na velikih razdaljah prevladujejo privlačne sile, na majhnih razdaljah prevladujejo odbojne sile. Na določeni (ravnovesni) razdalji nastala sila postane nič, energija interakcije pa doseže minimalno vrednost (slika 2.1).

Trdna snov je agregatno stanje snovi, za katero je značilna stabilnost oblike in nihajna narava toplotnega gibanja atomov.. Posledično imajo slednji kinetično energijo.

Problem medsebojnega delovanja tudi najpreprostejših atomov je zelo kompleksen, saj moramo upoštevati obnašanje številnih delcev – jeder in elektronov. Upoštevati je treba valovne lastnosti mikrodelcev, predvsem elektronov, in s približnimi metodami rešiti ustrezno Schrödingerjevo enačbo.

Medatomsko vez spremlja pomembna preureditev valenčnih elektronov atomov, narava preureditve pa je določena z naravo samih atomov in stanjem elektronov, ki sodelujejo pri tvorbi kemične vezi. Glavni prispevek k energiji tvorbe trdnega telesa iz atomov prispevajo valenčni elektroni, prispevek elektronov notranjih lupin pa je nepomemben.

Kot posledica interakcije valenčnih elektronov nastanejo skupni elektronski pari. Kovalentna vez nastane, ko elektronski par ni popolnoma premaknjen proti enemu od atomov, ampak je lokaliziran v orbiti, ki je skupna obema elektronoma.

Ko je par elektronov skoraj popolnoma premaknjen na enega od atomov, imamo primer ionski komunikacije. To pomeni, da se ionska vez lahko šteje za skrajni primer kovalentne vezi. V tem primeru lahko energijo interakcije v kristalih s tako vezjo izračunamo na podlagi Coulombove interakcije pozitivnih in negativnih ionov, ki so nastali v kristalu kot posledica prerazporeditve elektronov med atomi.

Kovinska povezava lahko obravnavamo tudi kot skrajni primer kovalentne vezi, ko postanejo valenčni elektroni potujoči, kar pomeni, da hkrati pripadajo več atomom .

V atomih z zapolnjenimi valenčnimi lupinami je porazdelitev električnega naboja sferična, zato nimajo konstantnega električnega momenta. Toda zaradi gibanja elektronov se atom lahko spremeni v trenutni električni dipol, kar povzroči nastanek t.i. van der Waalsove sile. Na primer, v atomu vodika je povprečni električni navor enak nič, medtem ko lahko trenutni navor doseže 2,5 D (debye). Ko se atoma približata drug drugemu, pride do interakcije trenutnih atomskih dipolov.

Glavne značilnosti kemijske vezi so energija, dolžina, polarnost, večkratnost, smer in nasičenost. Za ionsko vez je treba upoštevati efektivni naboj ionov.

Glede na naravo veznih sil lahko trdne snovi razdelimo v naslednje razrede: atomske, ionske, kovinske, molekularne kristale in kristale z vodikovo vezjo.

Atomski kristali

Atomsko(po vrsti polarnosti – homeopolarno) kristali nastanejo zaradi kovalentnih vezi. Vnaprej je določen z elektrostatičnimi in izmenjevalnimi interakcijami. Razumevanje narave kovalentne vezi je mogoče doseči le z uporabo kvantno mehanskih konceptov, ki upoštevajo valovne lastnosti elektrona. V kovalentni vezi tvorijo sosednji atomi skupne elektronske lupine z izmenjavo elektronov. Kot izhaja iz kvantnomehanskih izračunov, ko se oblikujejo skupne elektronske lupine, se potencialna energija sistema zmanjša zaradi tako imenovanih učinkov izmenjave. Zmanjšanje energije je enakovredno pojavu privlačnih sil.

Razmislimo o mehanizmu nastanka izmenjavne interakcije na primeru tvorbe molekule vodika, v kateri se dva elektrona gibljeta v polju dveh jeder (slika 2.2).

Potencialna energija interakcije med dvema atomoma je sestavljena iz dveh delov: energije interakcije jeder in energije elektronov, ki je odvisna od razdalje med obema jedroma. R:

. (2.1)

Da bi našli lastne funkcije in lastne vrednosti energije takšnega sistema, je treba rešiti stacionarno Schrödingerjevo enačbo:

. (2.2)

Hamiltonian molekule vodika lahko podamo na naslednji način:

Kje ustreza gibanju prvega elektrona (1) okoli jedra ( A)

, (2.4)

ustreza gibanju drugega elektrona (2) okoli jedra ( b)

, (2.5)

A predstavlja energijo elektrostatične interakcije elektronov s »tujimi« jedri in med seboj

. (2.6)

Nemogoče je izvesti natančno rešitev Schrödingerjeve enačbe s Hamiltonianom (2.3). Uporabimo metodo motenj. Poglejmo najprej dolge razdalje. Naj bo prvi elektron blizu jedra, drugi pa blizu jedra. Nato vrednost v (2.3) zanemarimo in dobimo enačbo

Kot začetni približek za valovno funkcijo uporabimo valovne funkcije vodikovih atomov, ki niso v interakciji:

Kje in najdemo z reševanjem enačb

, (2.9)

. (2.10)

Energijska vrednost, ki ustreza raztopini (2.8), bo .

Če ne bi bilo degeneracije, bi bila rešitev (2.8) ničelni približek. Pravzaprav imamo v tem primeru tako imenovano menjalno degeneracijo. Očitno je poleg rešitve (2.8) taka rešitev možna tudi, ko je v prvem atomu ( A) je drugi elektron (2) in v drugem atomu ( b) – prvi elektron (1). Hamiltonian bo imel enako obliko kot (2.3), le elektroni bodo zamenjali mesta (1-2). Rešitev bo izgledala

Tako ima za velike enačba (2.2) dve rešitvi (2.8) in (2.11), ki pripadata energiji . Če upoštevamo interakcijo med atomi, bo ničelni približek linearna kombinacija in:

kjer in so koeficienti, ki jih je treba določiti, in je majhen dodatek k ničelnemu približku.

Predstavimo energijo v obliki

, (2.13)

Kje – dodatki, ki določajo spremembo energije elektronov, ko se atomi približujejo drug drugemu.

Zamenjava (2.12) in (2.13) v (2.2) in zanemarjanje majhnih količin , , , dobimo

Uporabimo (2.3) in zadnji izraz, vendar z upoštevanjem prerazporeditve elektronov. Takrat dobi (2.14) obliko

(2.15)

Zamenjajmo v (2.15) in iz (2.8) in (2.11) ter zanemarimo male člene , . Dobimo

(2.16)

To je nehomogena enačba za določanje popravkov valovne funkcije in lastne vrednosti energije.

Nehomogena enačba ima rešitev v primeru, ko je njena desna stran pravokotna na rešitev homogene enačbe (takšna enačba nastane, če je desna stran v (2.16) enaka nič). Se pravi, pogoj mora biti izpolnjen

Kje , .

Na podoben način dobimo drugo enačbo (ortogonalnost na rešitev)

Uvedemo naslednje skrajšane oznake

Funkciji in nista pravokotni druga na drugo, zato uvedemo naslednji integral

. (2.21)

Z uporabo teh zapisov lahko enačbi (2.17) in (2.18) zapišemo takole

Iz teh enačb najprej dobimo enačbo za:

Ima dve korenini

, (2.25)

. (2.26)

Če nadomestimo te vrednosti v (2.22), najdemo za

(2.27)

in za

. (2.28)

Zato bodo rešitve zapisane v naslednji obliki:

(2.29)

(antisimetrična rešitev) in

(2.30)

(simetrična rešitev).

Oglejmo si fizični pomen integralov in . Z uporabo (2.19), (2.6) in (2.11) dobimo

. (2.31)

Uporabimo normalizacijske pogoje in označujemo povprečno gostoto elektronskega naboja, ki ga ustvari elektron (1) v atomu ( A), skozi , elektron (2) v atomu ( b) skozi . V tem primeru dobimo za:

Prvi integral je povprečna potencialna energija elektrona (2) atoma ( b) v osrednjem polju ( A), je drugi integral enaka vrednost za elektron (1) atoma ( A) v osrednjem polju ( b) in tretji integral je povprečna potencialna energija elektronov, ki so v različnih atomih. Torej obstaja povprečna energija elektrostatične interakcije atomov , razen energije jedrske interakcije, ki se izračuna posebej (2.1).

Integral (2.20) se imenuje menjalni integral. Določitev gostote izmenjave

(2.33)

zapišimo v obrazec

Zadnji člen predstavlja izmenjavo energije, ki nima analogij v klasični mehaniki. To je posledica dejstva, da se lahko vsak od elektronov delno nahaja v bližini atoma ( a), delno – približno ( b).

Prva dva člena na desni strani (2.34) predstavljata popravke energije izmenjave zaradi neortogonalnosti valovnih funkcij, pravzaprav

pri valovne funkcije in zaradi eksponentnega upadanja z naraščajočo oddaljenostjo od jeder ( a) In ( b) rahlo prekrivajo, zato . Kdaj , jedrca ( a) In ( b) ujemati se. Potem sta in valovni funkciji istega atoma vodika. Zaradi normalizacije in je enako 1. Zato

. (2.36)

V teh mejah se spreminja tudi integral.

Z uporabo (2.1), (2.12), (2.29) in (2.30) ter izvedbo nekaterih transformacij dobimo

, (2.37)

. (2.38)

člani predstavljajo povprečno Coulombovo energijo dveh vodikovih atomov, ki se nahajata drug od drugega - izmenjalno energijo. Zadnji člen c vključuje popravke za neortogonalnost valovnih funkcij, ki so bile uporabljene kot ničelni približek.

Z uporabo formul (2.32) in (2.34) lahko izračunamo Coulombovo in izmenjalno energijo, če uporabimo za in valovno funkcijo normalnega stanja vodika:

, (2.39)

kjer je oddaljenost elektrona od jedra in je polmer prve Bohrove orbite.

Integrala in vsebujeta valovne funkcije, ki pripadajo različnim atomom in vsaka od teh funkcij eksponentno pada z razdaljo. Zato se oba integrala razlikujeta od nič samo zato, ker se valovne funkcije in posledično elektronske lupine atomov prekrivajo. Posledično se oba integrala zmanjšujeta z naraščajočo razdaljo med atomi, npr . Slika 2.3 prikazuje medsebojno energijo atomov in kot funkcija razdalje med njimi. Pri štetju energije je vrednost vzeta kot 0.

Slika 2.3. Energija simetričnih in antisimetričnih stanj

Kot je razvidno iz slike, je za antisimetrično stanje energija ustreza medsebojnemu odbijanju dveh vodikovih atomov, zato molekula ne more nastati. Nasprotno, za simetrično stanje energija ima minimum, v tem primeru so atomi vodika na razdalji in tvorijo molekulo. Valovna funkcija je odvisna le od koordinat. Celotna valovna funkcija mora biti odvisna tudi od vrtljajev elektronov in . Ker smo zanemarili interakcijo vrtljajev z orbitalnim gibanjem in interakcijo vrtljajev med seboj, bi morala biti skupna valovna funkcija produkt koordinatne funkcije in spinske funkcije . Elektroni upoštevajo Paulijevo načelo, zato mora biti valovna funkcija asimetrična glede na prerazporeditev elektronov. Imamo koordinatno funkcijo, ki je simetrična ali antisimetrična.

Celotna valovna funkcija bo antisimetrična za simetrično koordinato in antisimetrično vrtenje, pa tudi za antisimetrično koordinato in simetrično vrtenje.

Zato se dva vodikova atoma, ki imata elektrone z nasprotnimi spini (singletno stanje), privlačita drug drugega. Atomi vodika, ki imajo elektrone z vzporednimi spini (tripletno stanje), se odbijajo.

Če ima atom snovi več neparnih elektronov, lahko pride do ustreznega števila izmenjalnih vezi. Na primer, v kristalih z diamantno mrežo (slika 1.9, A) vsak atom je povezan s štirimi najbližjimi sosedi.

Kovalentna vez nastane pri prekrivanju elektronskih lupin, zato jo opazimo na majhnih razdaljah med atomi. Poleg tega se gostota "elektronskega oblaka" povečuje v smereh, ki povezujejo atome, to pomeni, da so elektroni tako rekoč vlečeni v prostor med jedri in njihovo polje zagotavlja njihovo privlačnost. To pomeni usmerjenost in nasičenost kovalentnih vezi: delujejo le v določenih smereh in med določenim številom sosedov.

Kovalentne vezi prevladujejo v atomskih kristalih in so po velikosti blizu ionskim vezem. Takšni kristali imajo nizko stisljivost in visoko trdoto. Električno so dielektriki ali polprevodniki.

Snovi s kovalentnimi vezmi vključujejo:

– večina organskih spojin;

– halogeni v trdnem in tekočem stanju;

– vodik, dušik, kisik (vezi v molekuli);

– elementi skupine VI, skupine V in IV (kristali diamanta, silicija, germanija, );

– kemične spojine, ki upoštevajo pravilo ( ), če elementi, vključeni v njihovo sestavo, niso na različnih koncih vrstice periodnega sistema (npr. ).

Trdne snovi s kovalentnimi vezmi lahko kristalizirajo v več strukturnih modifikacijah. O tej lastnosti, imenovani polimorfizem, smo razpravljali v 1. poglavju.

Ionski kristali

Takšne snovi nastanejo s kemično vezjo, ki temelji na elektrostatični interakciji med ioni. Ionska vez (po vrsti polarnosti - heteropolarni) je v glavnem omejen na binarne sisteme, kot je NaCl(slika 1.10, A), torej se vzpostavi med atomi elementov, ki imajo največjo afiniteto do elektronov, na eni strani in atomi elementov, ki imajo najmanjši ionizacijski potencial, na drugi strani. Ko nastane ionski kristal, so najbližji sosedje določenega iona ioni nasprotnega predznaka. Z najugodnejšim razmerjem velikosti pozitivnih in negativnih ionov se ti med seboj dotikajo in dosežemo izjemno visoko gostoto pakiranja. Majhna sprememba medionske razdalje v smeri njenega zmanjšanja od ravnotežne povzroči nastanek odbojnih sil med elektronskimi lupinami.

Stopnja ionizacije atomov, ki tvorijo ionski kristal, je pogosto taka, da elektronske lupine ionov ustrezajo elektronskim lupinam, značilnim za atome žlahtnih plinov. Približno oceno vezavne energije lahko naredimo s predpostavko, da je večina posledica Coulombove (to je elektrostatične) interakcije. Na primer v kristalu NaCl razdalja med najbližjimi pozitivnimi in negativnimi ioni je približno 0,28 nm, kar daje vrednost potencialne energije, povezane z medsebojno privlačnostjo para ionov, približno 5,1 eV. Eksperimentalno ugotovljena energijska vrednost za NaCl je 7,9 eV na molekulo. Tako sta obe količini istega reda, kar omogoča uporabo tega pristopa za natančnejše izračune.

Ionske vezi so neusmerjene in nenasičene. Slednje se odraža v tem, da vsak ion teži k temu, da približa sebi največje število ionov nasprotnega predznaka, torej da tvori strukturo z visoko koordinacijsko številko. Ionska vez je pogosta med anorganskimi spojinami: kovinami s halidi, sulfidi, kovinskimi oksidi itd. Energija vezave v takšnih kristalih je nekaj elektronvoltov na atom, zato imajo takšni kristali večjo trdnost in visoke talilne temperature.

Izračunajmo energijo ionske vezi. Da bi to naredili, se spomnimo komponent potencialne energije ionskega kristala:

Coulombova privlačnost ionov različnih predznakov;

Coulombov odboj ionov istega predznaka;

kvantna mehanska interakcija pri prekrivanju elektronskih lupin;

van der Waalsova privlačnost med ioni.

Glavni prispevek k vezavni energiji ionskih kristalov ima elektrostatična energija privlačnosti in odboja, vloga zadnjih dveh prispevkov pa je nepomembna. Če torej označimo interakcijsko energijo med ioni jaz in j skozi , potem bo skupna energija iona ob upoštevanju vseh njegovih interakcij

. (2.40)

Predstavimo ga kot vsoto potenciala odbojnosti in privlačnosti:

, (2.41)

pri čemer je znak "plus" v primeru enakih in znak "minus" v primeru različnih nabojev. Celotna energija mreže ionskega kristala, ki je sestavljena iz n molekule (2 n ioni), bodo

. (2.42)

Pri izračunu skupne energije je treba vsak medsebojno delujoči par ionov šteti le enkrat. Za udobje uvajamo naslednji parameter , kjer je razdalja med dvema sosednjima (nasprotnima) ionoma v kristalu. torej

, (2.43)

Kje Madelungova konstanta α in stalna D so opredeljeni kot sledi:

, (2.44)

. (2.45)

Vsoti (2.44) in (2.45) morata upoštevati prispevek celotne mreže. Znak plus ustreza privlačnosti nepodobnih ionov, znak minus pa odbijanju podobnih ionov.

Konstanto definiramo na naslednji način. V ravnotežnem stanju je celotna energija minimalna. torej , zato imamo

, (2.46)

kjer je ravnotežna razdalja med sosednjima ionoma.

Iz (2.46) dobimo

, (2.47)

in izraz za celotno energijo kristala v ravnotežnem stanju dobi obliko

. (2.48)

Magnituda predstavlja tako imenovano Madelungovo energijo. Ker indikator , potem lahko celotno energijo skoraj popolnoma identificiramo s Coulombovo energijo. Majhna vrednost pomeni, da so odbojne sile kratkega dosega in se močno spreminjajo z razdaljo.

Kot primer izračunajmo Madelungovo konstanto za enodimenzionalni kristal - neskončno verigo ionov nasprotnega predznaka, ki se izmenjujejo (slika 2.4).

Če izberemo katerikoli ion, na primer z znakom »–« kot začetnim, bomo imeli na razdalji dva iona z znakom »+«. r 0 od njega dva iona znaka "–" na razdalji 2 r 0 in tako naprej.

Zato imamo

Uporaba razširitve serije
, dobimo v primeru enodimenzionalnega kristala Madelungovo konstanto

. (2.49)

Tako ima izraz za energijo na molekulo naslednjo obliko

. (2.50)

V primeru tridimenzionalnega kristala serija konvergira pogojno, to pomeni, da je rezultat odvisen od metode seštevanja. Konvergenco niza lahko izboljšamo tako, da izberemo skupine ionov v mreži tako, da je skupina električno nevtralna, in po potrebi razdelimo ion med različne skupine in uvedemo delne naboje (Evjenova metoda ( Evjen H.M.,1932)).

Naboje na ploskvah kubične kristalne mreže (sl. 2.5) bomo obravnavali takole: naboji na ploskvah pripadajo dvema sosednjima celicama (v vsaki celici je naboj 1/2), naboji na robovih pripadajo štiri celice (1/4 v vsaki celici), naboji v ogliščih pripadajo osmim celicam (1/8 v vsaki celici). Prispevek k α t prve kocke lahko zapišemo kot vsoto:

Če vzamemo naslednjo največjo kocko, ki vključuje tisto, ki smo jo upoštevali, dobimo , kar dobro sovpada z natančno vrednostjo za mrežo, kot je . Za strukturo, kot je prejeli , za strukturo tipa – .

Ocenimo vezno energijo za kristal , ob predpostavki, da sta parameter mreže in modul elastičnosti IN znan. Modul elastičnosti se lahko določi na naslednji način:

, (2.51)

kje je prostornina kristala. Nasipni modul elastičnosti IN je merilo kompresije med vsestransko kompresijo. Za kubično strukturo s središčem na ploskvi (FCC) tipa prostornina, ki jo zasedajo molekule, je enaka

. (2.52)

Potem lahko pišemo

Iz (2.53) je enostavno dobiti drugi odvod

. (2.54)

V ravnotežnem stanju prvi odvod izgine, zato iz (2.52–2.54) določimo

. (2.55)

Uporabimo (2.43) in dobimo

. (2.56)

Iz (2.47), (2.56) in (2.55) najdemo volumenski modul elastičnosti IN:

. (2.57)

Izraz (2.57) nam omogoča, da izračunamo eksponent v odbojnem potencialu z uporabo eksperimentalnih vrednosti in . Za kristal
, , . Potem imamo iz (2.57).

. (2.58)

Upoštevajte, da je za večino ionskih kristalov eksponent n v potencialu odbojnih sil se giblje med 6–10.

Posledično velika velikost stopnje določa naravo odbojnih sil kratkega dosega. Z uporabo (2.48) izračunamo vezavno energijo (energija na molekulo)

eV/molekulo. (2,59)

To se dobro ujema z eksperimentalno vrednostjo -7,948 eV/molekulo. Ne smemo pozabiti, da smo pri izračunih upoštevali samo Coulombove sile.

Kristale s kovalentnimi in ionskimi vrstami vezi lahko obravnavamo kot omejitvene primere; med njimi je vrsta kristalov, ki imajo vmesne vrste povezave. Tako delno ionsko () in delno kovalentno () vez je mogoče opisati z valovno funkcijo

, (2.60)

v tem primeru se lahko stopnja ioniziranosti določi na naslednji način:

. (2.61)

Tabela 2.1 prikazuje nekaj primerov za kristale binarnih spojin.

Tabela 2.1. Stopnja ionnosti v kristalih

Kristalno	Stopnja ioniziranosti	Kristalno	Stopnja ioniziranosti	Kristalno	Stopnja ioniziranosti
SiC ZnO ZnS ZnSe ZnTe CdO CdS CdSe CdTe	0,18 0,62 0,62 0,63 0,61 0,79 0,69 0,70 0,67	InP InAs InSb GaAs GaSb CuCl CuBr AgCl AgBr	0,44 0,35 0,32 0,32 0,26 0,75 0,74 0,86 0,85	AgI MgO MgS MgSe LiF NaCl RbF	0,77 0,84 0,79 0,77 0,92 0,94 0,96

Kovinski kristali

Za kovine je značilna visoka električna prevodnost, ki je določena s kolektivizacijo valenčnih elektronov. Z vidika elektronske teorije je kovina sestavljena iz pozitivnih ionov, potopljenih v medij, ki ga tvorijo potujoči elektroni. Slednji se lahko prosto gibljejo v prostornini kristala, saj niso povezani z določenimi atomi. Poleg tega se kinetična energija potujočih elektronov zmanjša v primerjavi s kinetično energijo valenčnih elektronov v prostem atomu.

Vezava v kovinskih kristalih je posledica interakcije pozitivnih ionov s kolektiviziranimi elektroni. Zdi se, da prosti elektroni, ki so med ioni, ju vlečejo skupaj in uravnotežijo odbojne sile med ioni istega predznaka. Z zmanjševanjem razdalje med ioni se poveča gostota elektronskega plina in posledično se povečajo privlačne sile. Vendar se hkrati začnejo povečevati odbojne sile. Ko je dosežena določena razdalja med ioni, se sile uravnovesijo in mreža postane stabilna.

Tako lahko energijo kovinskega kristala predstavimo v obliki naslednjih izrazov:

– elektrostatična energija prostih elektronov v polju pozitivnih ionov (kristalna mreža);

– kinetična energija elektronov;

– medsebojna elektrostatična potencialna energija pozitivnih ionov;

– medsebojna elektrostatična potencialna energija elektronov.

Lahko se pokaže, da sta pomembna le prva dva izraza. Kot primer upoštevajte kovinski natrij, ki ima bcc mrežo. Izberimo prostornino na atom v mreži tako, da narišemo ravnine, pravokotne na črte, ki povezujejo ta atom s sosednjimi, in razdelimo označene segmente na pol. Dobimo tako imenovano Wigner-Seitzovo celico, ki ima za dano mrežo obliko kuboktaedra (glej 1. poglavje).

Čeprav se elektroni gibljejo po kristalu, v bližini vsakega atoma, to je v Wigner-Seitzovi celici, je elektronska gostota v povprečju konstantna. To pomeni, da če ima kovina en elektron na atom, je v povprečju en elektron blizu vsakega atoma. Izkazalo se je, da so kuboktaedri električno nevtralni in med seboj šibko elektrostatično delujejo. Glavnina interakcije je koncentrirana znotraj kockaedrov, kar pomeni, da ustreza energiji prostih elektronov v polju pozitivnih ionov.

Verjetnost, da najdemo elektron na razdalji med in iz danega iona je določen z naslednjim izrazom

Kje – gostota verjetnosti (kvadrat modula radialnega dela valovne funkcije). Potem je energija elektrona v polju danega iona enaka

to je povprečna vrednost za vse možne položaje elektrona. Ker je območje integracije enako celotnemu volumnu kovine, bo rezultat integracije določil energijo vseh prostih elektronov v polju danega iona, če predstavlja povprečno gostoto naboja v rešetki.

Iz zgoraj navedenega sledi, da bo energijski izraz, ki ustreza medsebojni potencialni energiji elektronov in ionov, imel obliko

, (2.62)

kje je prostornina kovine, A– nekaj konstante ( A<0).

Določimo kinetično energijo elektronov. To vprašanje bomo obravnavali v 4. poglavju, zdaj pa bomo uporabili tam pridobljene rezultate. Povprečna kinetična energija elektronov je določena s Fermijevo energijo in je

Kje ; – koncentracija elektronov. Slednji je določen s številom atomov in prostornino kovine. Končno lahko energijo predstavimo v obliki

. (2.63)

Celotno energijo kovinskega kristala po prejšnjem določata dva izraza

Če odvisnost narišemo kot funkcijo razdalje med atomi, to je vrednost, ki je sorazmerna z , dobimo krivuljo z minimumom v točki (slika 2.6). Vrednost na tem minimumu določa vezno energijo, drugi odvod na tej točki pa določa modul stisljivosti. Vlogo odbojnih sil ima pri kovinskih kristalih kinetična energija elektronov, ki narašča z zmanjševanjem medatomskih razdalj.

Izračun vezavne energije (izparilne toplote) kovinskega natrija po zgornji shemi daje vrednost približno 1 eV/atom, kar se dobro ujema z eksperimentalnimi podatki - 1,13 eV/atom.

Zaradi dejstva, da je čisto kovinska vez neusmerjena, kovine kristalizirajo v razmeroma gosto zapakirane strukture z velikimi koordinacijskimi števili: face-centred cubic (fcc), heksagonalno tesno zapakirano (hcp), body-centered cubic. Za kristale fcc in hcp sta gostota pakiranja in koordinacijsko število enaki: 0,74 oziroma 12. Posledično bližina parametrov kaže na bližino veznih energij v takih kristalih. Številne kovine namreč lahko pod razmeroma šibkim zunanjim vplivom spremenijo strukturo iz fcc v hcp in obratno.

V nekaterih kovinah ne delujejo samo kovinske vezi, ki jih povzročajo potujoči elektroni, temveč tudi kovalentne vezi, za katere je značilna lokalizacija atomskih orbital v prostoru. V kristalih prehodnih kovin prevladuje kovalentna vez, katere nastanek je povezan s prisotnostjo nezapolnjenih notranjih lupin, kovinska vez pa je podrejenega pomena. Zato je vezavna energija v takšnih kristalih bistveno višja v primerjavi z alkalijskimi kovinami. Na primer, za nikelj je štirikrat višji kot za natrij.

Takšne kovine imajo lahko tudi nižjo simetrično mrežo kot alkalijske in plemenite kovine.

Treba je opozoriti, da številne snovi, ki so v normalnih pogojih dielektriki ali polprevodniki, doživljajo fazne prehode z naraščajočim tlakom in pridobijo kovinske lastnosti. Prisilno približevanje atomov poveča prekrivanje elektronskih lupin, kar prispeva k delitvi elektronov. Na primer, polprevodnik postane kovina pri tlaku ~4 GPa, – pri 16 GPa, – pri 2 GPa. Obstajajo hipoteze, da lahko pri tlaku ~2000 GPa molekularni vodik preide v kovinsko stanje, po odstranitvi tlaka pa se lahko izkaže, da je faza stabilna in da je superprevodna.

Molekularni kristali

V takih kristalih delujejo van der Waalsove sklopne sile, ki so električne narave in so najbolj univerzalne. Molekularne sile sestavljajo različne vrste interakcij: orientacija(med polarnimi molekulami), indukcija(pri visoki polarizabilnosti molekul) in disperzivno.

Disperzijska interakcija je značilna za vse molekule in je praktično edinstvena v primeru nepolarnih molekul. To povezavo so najprej pojasnili na podlagi kvantnomehanske rešitve problema interakcije dveh oscilatorjev (F. London, 1930). Prisotnost v oscilatorju minimalne, neničelne energije, ki se zmanjšuje, ko se oscilatorja približujeta drug drugemu, vodi do pojava disperzijskih interakcijskih sil, ki so razvrščene kot kratkega dosega.

Nepolarna molekula lahko zaradi gibanja elektronov, ki vstopajo vanjo, pridobi trenutni dipolni moment - molekula postane polarizirana. Pod vplivom te polarizacije se v sosednji molekuli pojavi induciran moment in med njima se vzpostavi interakcija.

Poleg disperzijskih sil lahko v molekularnih kristalih delujeta še dve vrsti sil: orientacijska v primeru polarnih molekul in induktivna v prisotnosti molekul z visoko sposobnostjo polarizacije. Običajno so v kristalih opažene vse tri vrste interakcij, čeprav je lahko prispevek vsake drugačen. Energija vezave molekulskih kristalov je nizka in znaša manj kot 0,1 eV/atom. Zato imajo ustrezne snovi nizko tališče in nizko vrelišče. Za kristalno strukturo takih snovi je pogosto značilno tesno pakiranje. Žlahtni plini, ko se pretvorijo v trdno stanje, tvorijo kristale gosto zapakirane kubične strukture.

Vsaka molekula je nekakšen kvantni oscilator, zato je mogoče kvantitativne značilnosti disperzijske interakcije dobiti z reševanjem kvantnomehanskega problema interakcije dveh linearnih harmoničnih oscilatorjev z dipolnimi momenti in na razdalji. Potencialna energija takega sistema

, (2.65)

kjer je koeficient elastičnosti dipola in je potencialna energija interakcije med dvema dipoloma.

Določimo (v absolutnih sistemskih enotah)

. (2.66)

Razširitev v nizu in ohranitev tretjih členov razširitve (priloženo ), dobimo

. (2.67)

Vstavimo normalne koordinate

(2.68)

in preoblikovati :

. (2.69)

Rešitev stacionarne Schrödingerjeve enačbe za sistem dveh oscilatorjev

(2.70)

izvedemo z metodo ločevanja spremenljivk. Pogoji rešljivosti za vsako od enačb določajo diskretni energijski spekter sistema

Kje ; ; .

Določimo "ničelno" energijo ( ) dveh medsebojno delujočih oscilatorjev, ki razporedita radikale v niz do tretjih členov:

. (2.72)

Glede na to, da je "ničelna" energija dveh neinteragirajočih oscilatorjev , dobimo energijo disperzijske interakcije

(GHS), (2,73)

(SI). (2,74)

Iz zadnjega izraza dobimo jakost disperzijske interakcije

. (2.75)

torej obstoj disperzijskih sil je posledica prisotnosti "ničelne" energije atomov in molekul, ki se zmanjšuje, ko se približujejo drug drugemu. Disperzijske sile, kot je razvidno iz (2.75), so kratkega dosega.

Če imajo molekule stalne dipolne momente ali v njih nastanejo inducirani dipoli zaradi visoke polarizabilnosti molekul, se pojavi dodatna dipolna interakcija. Pod vplivom električnih sil se molekule med seboj usmerijo tako, da se medsebojna energija dipolov zmanjša. To orientacijo moti kaotično toplotno gibanje.

Pri dovolj visokih temperaturah, ko energija interakcije dveh dipolov , je energija orientacijske interakcije enaka

, (2.76)

kje je dipolni moment.

Pri nizkih temperaturah , ko je dosežena popolna orientacija dipolov, je energija dipolne interakcije enaka

. (2.77)

V molekulah z visoko polarizabilnostjo nastanejo inducirani dipolni momenti pod vplivom električnega polja. . Interakcijska energija induciranih dipolov ni odvisna od temperature in je

. (2.78)

V splošnem primeru je energija interakcije molekul lahko sestavljena iz različnih delov, ki ustrezajo orientacijskim, induktivnim in disperzijskim interakcijam. Prispevek vsake izmed njih je različen glede na vrsto molekule (tabela 2.2).

Najbolj univerzalne so disperzijske sile, ki ne delujejo samo med atomi z napolnjenimi lupinami, ampak tudi med vsemi atomi, ioni in molekulami.

Tabela 2.2. Značilnosti medmolekularne interakcije (%)

V prisotnosti močnih vezi disperzijska interakcija igra vlogo majhnega dodatka. V drugih primerih disperzijska interakcija predstavlja pomemben delež celotne medmolekularne interakcije, v nekaterih primerih, na primer za kristale inertnih elementov, pa je edina vrsta privlačnih sil.

Povezane informacije.

Fizika kondenzirane snovi

Fizika kondenzirane snovi- velika veja fizike, ki proučuje obnašanje kompleksnih sistemov (to je sistemov z velikim številom prostostnih stopenj) z močno sklopitvijo. Temeljna značilnost evolucije takšnih sistemov je, da je (evolucije celotnega sistema) ni mogoče »razdeliti« na evolucijo posameznih delcev. Morate "razumeti" celoten sistem kot celoto. Posledično je pogosto treba upoštevati kolektivna nihanja namesto gibanja posameznih delcev. V kvantnem opisu te skupne prostostne stopnje postanejo kvazidelci.

Fizika kondenzirane snovi je bogato področje fizike, tako v smislu matematičnih modelov kot v smislu aplikacij v realnosti. Kondenzirane snovi z najrazličnejšimi lastnostmi najdemo povsod: običajne tekočine, kristali in amorfna telesa, materiali s kompleksno notranjo zgradbo (kamor sodijo mehke kondenzirane snovi), kvantne tekočine (elektronska tekočina v kovinah, nevtronska tekočina v nevtrinskih zvezdah, superfluidi, atomska jedra), spinske verige, magnetni momenti, kompleksna omrežja itd. Pogosto so njihove lastnosti tako zapletene in večplastne, da je treba najprej razmisliti o njihovih poenostavljenih matematičnih modelih. Posledično je iskanje in preučevanje natančno rešljivih matematičnih modelov kondenzirane snovi postalo eno najbolj aktivnih področij v fiziki kondenzirane snovi.

Glavna področja raziskovanja:

mehka kondenzirana snov
visoko korelirani sistemi
- vrtilne verige
- visokotemperaturna superprevodnost
fizika neurejenih sistemov

Fundacija Wikimedia. 2010.

Oglejte si, kaj je "fizika kondenzirane snovi" v drugih slovarjih:

Fizika kondenzirane snovi je velika veja fizike, ki preučuje obnašanje kompleksnih sistemov (to je sistemov z velikim številom prostostnih stopenj) z močno sklopitvijo. Temeljna značilnost evolucije takšnih sistemov je, da ... ... Wikipedia

Primeri različnih fizikalnih pojavov Fizika (iz stare grščine φύσις ... Wikipedia

Veda, ki preučuje najpreprostejše in hkrati najsplošnejše vzorce naravnih pojavov, sveto in zgradbo materije ter zakone njenega gibanja. Koncepti fiziologije in njeni zakoni so osnova vsega naravoslovja. F. spada med natančne vede in proučuje količine ... Fizična enciklopedija

- (grško ta physika iz physis narava), veda o naravi, ki proučuje najpreprostejše in hkrati najbolj splošne lastnosti materialnega sveta. Fiziko glede na preučevane objekte delimo na fiziko osnovnih delcev, atomskih jeder, atomov, molekul,... ... Veliki enciklopedični slovar

I. Predmet in zgradba fizike Fizika je veda, ki preučuje najenostavnejše in hkrati najsplošnejše zakonitosti naravnih pojavov, lastnosti in zgradbo snovi ter zakonitosti njenega gibanja. Zato so koncepti F. in drugi zakoni osnova vsega ... ... Velika sovjetska enciklopedija

IN; in. [iz grščine physis nature] 1. Veda, ki preučuje splošne zakonitosti naravnih pojavov, lastnosti in zgradbo snovi ter zakone njenega gibanja. Teoretični f. // Izobraževalni predmet, ki predstavlja to znanost. Učiteljica fizike. 2. kaj. Struktura, splošno ... ... enciklopedični slovar

Fizika- (gr. nature) veda o naravi, ki preučuje najpreprostejše in hkrati najbolj splošne lastnosti materialnega sveta. Glede na predmete, ki jih preučujemo, jo delimo na fiziko: osnovni delci, atomska jedra, atomi, molekule, trdne snovi, plazma itd. ZA…… Koncepti sodobnega naravoslovja. Slovarček osnovnih pojmov

- (grško ta physika, iz physis narava), veda o naravi, ki preučuje najpreprostejše in hkrati najbolj. splošne lastnosti materialnega sveta. Glede na preučevane predmete se deli na fiziko osnovnih delcev, atomskih jeder, atomov, molekul in trdnih snovi. telo, plazma in... Naravoslovje. enciklopedični slovar

Statistična fizika ... Wikipedia

Trkalnik Tevatron in glavni injektorski obroči Kvantna fizika je veja teoretične fizike, v kateri preučujemo kvantnomehanske in kvantne poljske sisteme ter zakone njihovega gibanja. Osnovni kvantni zakoni ... Wikipedia

knjige

Splošna fizika kondenzirane snovi, Evgenij Zalmanovič Mejlikhov. Učbenik je del predmeta splošne fizike za njeno posebno področje (fizika kondenzirane snovi). Priročnik predvideva znanja v okviru programov fizika in matematika...
Učbenik Fizika trdne snovi za inženirje, Gurtov V., Osaulenko R.. Učbenik je sistematična in dostopna predstavitev predmeta fizike trdne snovi, ki vsebuje osnovne elemente fizike kondenzirane snovi in njene aplikacije za…

Kondenzirana snov je koncept, ki združuje trdne snovi in tekočine v nasprotju s plinom. Atomski delci (atomi, molekule, ioni) v kondenziranem telesu so med seboj povezani. Sre Energija toplotnega gibanja delcev ne zadošča za spontano pretrganje vezi, zato zgoščeno telo ohrani svojo prostornino. Merilo za povezanost atomskih delcev je toplota izparevanja (v tekočini) in toplota sublimacije (v trdni snovi).

Za razliko od plinastega stanja ima snov v kondenziranem stanju urejenost v razporeditvi delcev (ionov, atomov, molekul). Kristalne trdne snovi imajo visoko stopnjo urejenosti – red na velike razdalje v razporeditvi delcev. Delci tekočin in amorfnih trdnih snovi so locirani bolj kaotično in zanje je značilen red kratkega dosega. Lastnosti snovi v kondenziranem stanju določata njihova zgradba in interakcija delcev.

Amorfne spojine

Amorfne spojine poleg visokoelastičnih najdemo še v dveh drugih fizikalnih spojinah. stanja: steklasto stanje in viskozno-tekoče stanje. visokomolekularne spojine, ki pri temperaturah pod sobno prehajajo iz visokoelastičnega v steklasto stanje, uvrščamo med elastomere, pri višjih temperaturah pa med plastične mase. Kristalne spojine z visoko molekulsko maso so običajno plastika.

Kristali in njihove vrste

Kristali- od grškiκρύσταλλος, prvotno - led, dalje - nosorogovo, kristal) - trdne snovi, v katerih so atomi pravilno razporejeni in tvorijo tridimenzionalno periodično prostorsko razporeditev - kristalno mrežo.

Kristali so trdne snovi, ki imajo naravno zunanjo obliko pravilnih simetričnih poliedrov, ki temelji na njihovi notranji strukturi, to je na eni od več specifičnih pravilnih razporeditev delcev, ki sestavljajo snov (atomi, molekule, ioni).

Vrste kristalov

Treba je ločiti idealni in pravi kristal.

Popoln kristal

Pravzaprav je matematični objekt, ki ima popolno inherentno simetrijo, idealizirane gladke gladke robove itd.

Pravi kristal

Vedno vsebuje različne napake v notranji strukturi mreže, popačenja in nepravilnosti na ploskvah ter ima zmanjšano simetrijo poliedra zaradi specifičnih pogojev rasti, heterogenosti hranilnega medija, poškodb in deformacij. Ni nujno, da ima pravi kristal kristalografske ploskve in pravilno obliko, ohranja pa svojo glavno lastnost – pravilen položaj atomov v kristalni mreži.

Glavna značilnost kristalov je njihova inherentna lastnost anizotropije, to je odvisnost njihovih lastnosti od smeri, medtem ko pri izotropnih (tekočine, amorfne trdne snovi) ali psevdoizotropnih (polikristali) lastnosti lastnosti niso odvisne od smeri.

Lastnosti kristalov glede na vrsto kemijske vezi

Vrste kemijskih vezi v kristalih. Glede na naravo delcev in naravo interakcijskih sil ločimo štiri vrste kemijskih vezi v kristalih: kovalentne, ionske, kovinske in molekularne.

Vrste kemičnih vezi so priročna poenostavitev. Natančneje, obnašanje elektrona v kristalu opisujejo zakoni kvantne mehanike. Ko govorimo o vrsti povezave v kristalu, morate upoštevati naslednje:

vez med dvema atomoma nikoli popolnoma ne ustreza enemu od opisanih tipov. Ionska vez vedno vsebuje element kovalentne vezi itd.

v kompleksnih snoveh so lahko vezi med različnimi atomi različnih vrst. Na primer, v proteinskem kristalu je vez v proteinski molekuli kovalentna, med molekulami (ali različnimi deli iste molekule) pa je vodik.

Fizika kondenzirane snovi je z matematičnimi modeli in formulami eno najbogatejših področij sodobne fizike.

Slika 1. Kondenzirana snov. Author24 - spletna izmenjava študentskih del

Opomba 1

Kondenzirano snov z najrazličnejšimi značilnostmi najdemo popolnoma povsod: kristale, navadne tekočine in amorfna telesa, materiale z notranjo kompleksno strukturo (ki lahko vključuje mehke kondenzirane elemente), kvantne tekočine, verige s konstanto vrtenja, magnetne momente, kompleksne prostore in tako naprej

Lastnosti teh snovi so pogosto tako zapletene in večplastne, da morajo znanstveniki najprej razmisliti o poenostavljenih matematičnih možnostih. Posledično je preučevanje natančno rešljivih enačb kondenzirane snovi postalo aktivno področje v znanosti.

Gibanje vsakega osnovnega delca v kondenziranem mediju je tesno povezano z gibanjem njegovih sosedov; Posledično so formule, ki opisujejo ta proces, med seboj močno »prepletene«.

Med klasičnimi deli fizike kondenzirane snovi lahko ločimo naslednje:

trdna mehanika;
teorija plastičnosti in razpok;
hidrodinamika;
fizika plazme;
elektrodinamika zveznih medijev.

Skupno izhodišče v zgornjih razdelkih je koncept kontinuuma. Prehod iz določenega nabora posameznih delcev (ionov ali atomov) v stabilno stanje je sestavljen iz kompleksnega povprečenja lastnosti koncepta.

Glavna področja raziskovanja

Slika 2. Fizikalne oblike kondenzirane snovi. Author24 - spletna borza študentskih del

V bistvu različne fizikalne oblike spadajo v tri kategorije: plinasto, tekoče in trdno. V teh treh stanjih snovi predmet strnjenega študija določa napredek na vsaki stopnji discipline skupaj z vsemi področji človeškega življenja. Tradicionalne idealne kovine, keramika in kompozitni elementi aktivno sodelujejo v vseh strukturah, ki vključujejo oddajanje svetlobe in elektrike.

Toplota in druge lastnosti fizičnih teles temeljijo na raziskavah fizike kondenzirane snovi, ki neposredno daje osnovo mnogim vejam visoke znanosti in same nanotehnologije. Danes je uveljavljanje načel te znanstvene smeri v vzponu z razvojem mikroelektronike, laserske tehnologije in optičnih komunikacijskih tehnologij.

Glavna področja fizike kondenzirane snovi:

teorija neurejenih sistemov;
nanotehnologija;
mehanika kontinuuma;
elektrodinamika zveznih medijev;
struktura trdne snovi;
gibanje tekočin;
zgoščena mehka snov;
kvantni Hallov učinek;
superprevodnost toplote.

V fiziki kondenzirane snovi so vsi elementi razdeljeni na atome z namenom podrobnega preučevanja različnih struktur. To področje fizike je šele v zadnjih desetletjih začelo pridobivati na priljubljenosti. Opozoriti je treba na pomen pojava, ki izhaja iz preučevanja kristalne trdne snovi med njenim pretvorbo v tekoče stanje. V teh dveh dolgotrajnih poskusih so raziskovalci uspeli pridobiti nekaj zaupanja in postopoma uvesti nekatere delujoče metode za olajšanje nadaljnjih znanstvenih raziskav.

Kvantna teorija kondenzirane snovi

Kvantna hipoteza je izumiteljem omogočila ne le razlago atomskih nians in spektrov, ampak tudi razrešitev številnih zapletenih skrivnosti v obnašanju trdnih fizičnih teles, zlasti idealnih kristalov. Zdi se, da je kristal, ki vsebuje milijone atomov, milijonkrat težje preučevati kot posamezen elementarni delec. Vendar naloga ni tako težka, če nanjo pogledate s povsem drugega zornega kota.

Definicija 1

Struktura katerega koli kristala je zelo urejena - je navadna kristalna mreža.

V njej so vzdolž vsake ravne črte isti atomi (ali molekule in ioni) nameščeni v enakih intervalih. Kristal je opremljen z edinstveno lastnostjo periodičnosti v kateri koli obravnavani smeri.

Zato pri proučevanju kristalov pomaga predvsem urejenost in ne lastnosti posameznih elementov. Tako kot v hipotezi o molekularnih spektrih so tukaj uporabljene metode teoretičnih skupin in njihove splošne predstavitve. Če premaknemo molekulo v kristalu, se bo v trenutku pojavila sila, ki jo bo nazadnje potisnila stran od sosednjih delcev in jo vrnila v prvotni položaj.

Zahvaljujoč temu je kristal stabilen v vseh pogojih: njegovi ioni in atomi lahko doživijo le manjša nihanja glede na položaj stabilnosti in ravnovesja. Druga stvar so elektroni samih atomov. Določen del le-teh, ki se nahaja na nižjih energijskih nivojih, vedno ostane v njegovem atomu. Toda elementi iz zgornjih ravni se precej prosto gibljejo od enega atoma do drugega in pripadajo celotnemu kristalu.

Opomba 2

Za gibanje takih elektronov niso značilne toliko značilnosti posameznih delcev, temveč značilnosti kristalne mreže.

Zato lahko kristal obravnavamo kot kombinacijo dveh fizičnih podsistemov. Prva od njih je sama kristalna mreža v obliki periodične strukture molekul, ki so brez valenčnih elementov in so zato pozitivno nabite v katerem koli položaju. Drugi je skupnost elektronov v periodičnem električnem polju pozitivno nabite mreže.

Kakršen koli zunanji vpliv na kristal (električni, mehanski, magnetni, toplotni) ima za posledico, da se v enem od konceptov valovi širijo kaotično - kot iz vrženega kamna v vodo. Lastnost periodičnosti odpravlja potrebo raziskovalcev po preučevanju takih vibracij posameznih ionov v kristalu. Dovolj je preučiti valovanje kot celoto: po kvantni hipotezi vsak tak proces ustreza delcu - valovnemu kvantu; v teoriji trdnih fizičnih teles se imenuje kvazidelec. Obstaja veliko vrst kvazidelcev. Eden najpogostejših so kvanti ali fotoni elastičnih nihanj kristalne mreže, ki so odgovorni za širjenje toplote in zvoka v kristalu.

Opomba 3

Tako lahko rečemo, da je kvantna teorija edinstveno znanstveno orodje, ki vam omogoča hitro izvajanje kvantitativnih in kvalitativnih študij fizične snovi na kateri koli ravni - od atomov do neprekinjenih medijev.

Obeti za razvoj fizike kondenzirane snovi

Fizika kondenzirane snovi je trenutno v svojem najsvetlejšem obdobju razcveta. In ker so temeljne raziskave na tem področju znanosti in praktična uporaba tehnologije pogosto tesno povezane, rezultati eksperimentov predstavljajo vrsto novih univerzalnih tehnologij, materialov in naprav, ki igrajo v sodobnem svetu visoke tehnologije nenadomestljivo ključno vlogo. .

V zadnjih letih eksperimenti na področju fizike kondenzirane snovi, metod in tehnologij preučevanja vse bolj prodirajo v sosednje discipline, povezane z razvojem kemijskih, biofizikalnih in geofizikalnih znanosti.

Danes se fizika kondenzirane snovi aktivno razvija in uvaja na vsa področja človekovega življenja. Ker pa je ta smer vir kvantne teorije in gibanja kristalnih trdnin, je danes še vedno glavni predmet proučevanja struktur zveznih prostorov. Navsezadnje se znanstveniki soočajo z isto naravo, v kateri so številni zakoni in pojavi univerzalni. S poglobljenim študijem je mogoče takšne vzorce razumeti in spoznati.