Учебное пособие 800129

Задачи для самостоятельного решения по теме №6

1.Зная, что мольная магнитная восприимчивость бромистого серебра равна −5,97·10−5 см3/моль, определите киломольную магнитную восприимчивость.

(Ответ: −7,5·10-7 м3/кмоль).

2.Определите, во сколько раз число молекул, имеющих положительные проекции магнитного момента на направление внешнего магнитного поля с индукцией 1 Тл, больше числа молекул, имеющих отрицательную

проекцию. Задачу решить для двух случаев: 1) Т1 = 300 К; 2) Т2 = 1 К. Магнитный момент молекулы принять равным магнетону Бора.

(Ответ: 1,0022; 1,91).

3.Кусок стали внесли в магнитное поле напряженностью 1600 А/м. Определите намагниченность стали, если магнитная индукция в ней 1,25 Тл.

(Ответ: 911·103 А/м).

4.Ферромагнитный брусок объемом 10 см3 приобрел в магнитном поле напряженностью 800 А/м магнитный момент 0,8 А·м2. Найдите относительную магнитную проницаемость ферромагнетика.

(Ответ: 101).

5. Определите среднее число магнетонов Бора, приходящихся на один атом железа, если при насыщении намагниченность железа составляет

1,84·106 А/м.

(Ответ: 2,36 µБ).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

Принципы строения твердых тел. Элементы кристаллографии

1.Что называется идеальным монокристаллом и дальним порядком в расположении атомов?

2.Что такое поликристалл?

3.Какие тела называются аморфными?

4.Дайте определение кристаллической решетки и элементарной ячейки структуры. Что такое базис кристаллической решетки?

5.Сингонии кристаллов. Приведите соотношения периодов решетки и углов между кристаллографическими осями для семи сингоний.

71

Дифракция в кристаллах

1.На чем основаны дифракционные методы определения структуры кристаллов?

2.Выведите формулу Вульфа – Бреггов и условия Лауэ.

3.Какие экспериментальные дифракционные методы Вы знаете?

4.Что такое атомный и структурный факторы рассеяния? В чем состоит интегральный закон погасания?

5.От каких факторов зависит интенсивность рассеяния рентгеновских лучей веществом?

Природа и типы межатомных связей

1.Приведите условие, которое должно выполняться для образования устойчивой связи между атомами.

2.Чем обусловлено притяжение и отталкивание атомов? Формула полной энергии взаимодействия атомов.

3.Чем обусловлена и между какими атомами возникает ионная связь? Вид энергии Маделунга.

4.В каких случаях между атомами возникает ковалентная связь? В чем ее характерные особенности?

5.Что такое обменная энергия? Какую роль она играет в образовании ковалентной связи?

6.Металлическая связь. Причины ее возникновения и модель металлических кристаллов.

7.Ван-дер-Ваальсова связь. Каковы причины ее возникновения? Какие вещества характеризуются молекулярной связью?

8.Водородная связь и ее роль в образовании конденсированных веществ.

Дефекты в твердых телах

1.Какие классы дефектов существуют? Опишите существующие точечные дефекты.

2.Какими факторами определяется равновесная концентрация точечных дефектов?

3.Опишите существующие линейные дефекты. Что такое контур и вектор Бюргерса?

4.Какую величину принимают за теоретическую прочность кристалла? Чем она обусловлена?

5.Дайте определения и характеристики динамическим свойствам дефектов в твердых телах.

6.Охарактеризуйте понятия дефекта упаковки и границ зерен.

72

Механические свойства твердых тел

1.Что такое деформация? Какие виды деформации твердых тел могут возникать? Выведите самостоятельно закон Гука для малых деформаций.

2.Охарактеризуйте участки диаграммы деформаций. Как меняется вид диаграммы для хрупких тел?

3.Тензоры напряжений и деформаций. Какие свойства твердых тел они характеризуют? Приведите вид тензоров и охарактеризуйте входящие в них величины.

4.Приведите закон Гука для анизотропных тел. Запишите в развернутом виде этот закон для кубического кристалла.

5.Как реализуется пластическая деформация твердых тел? Что способствует и что препятствует хрупкому их разрушению?

Динамика кристаллической решетки

1.Какие предпосылки приводят к необходимости рассмотрения колебаний атомов в кристаллической решетке?

2.Чем отличается зависимость ω(k) для одномерной моноатомной цепочки атомов от соответствующей зависимости для однородной упругой струны?

3.Приведите величины, характеризующие распространение упругой волны вдоль одномерной моноатомной цепочки. Чем они определяются?

4.Почему в одномерной цепочке с базисом возникают две моды колебаний? Что это за моды? Охарактеризуйте их.

5.Чем характеризуется распространение упругих волн в трехмерной решетке?

Тепловые свойства твердых тел

1.Что такое гармоническое приближение и каковы его основные положения?

2.Каковы основные положения классической теории теплоемкости тел? В чем ее слабость?

3.Охарактеризуйте процессы возбуждения тепловых колебаний атомов кристалла с точки зрения квантовой теории.

4.Что такое фонон? Каковы его свойства?

5.Что представляет собой теплоемкость кристалла в теории Эйнштейна? В чем положительные и отрицательные стороны этой теории?

6.Основы теории Дебая. Приведите основные положения этой теории и ее выводы.

7.К чему приводит ангармонизм колебаний атомов в решетке? Докажите свое утверждение.

Магнитные свойства твердых тел

1.Что такое магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость тел? Как они выглядят для различных типов магнетиков?

73

2.Чем обусловлен и каким телам присущ диамагнетизм? Выведите формулу диамагнитной восприимчивости.

3.Какова природа парамагнетизма? Какие тела обладают парамагнитными свойствами? С чем связан парамагнетизм электронного газа?

4.Ферромагнетизм. Опыты Эйнштейна и Де-Гааза. Температура Кюри. Обменный интеграл. Дайте определение этих понятий и выведите необходимые формулы.

5.Доменная структура ферромагнетиков. Объясните цикл намагничивания ферромагнетиков с точки зрения этой структуры.

6.Что такое антиферромагнетизм и ферримагнетизм? Какие материалы обладают этими свойствами и почему?

7.Опишите методы исследования твердых тел, основанные на их магнитных свойствах.

Электрические свойства твердых тел

1.Каковы особенности металлического состояния? Приведите и раскройте смысл каждой из них.

2.Приведите положения классической теории Друде и Лоренца. От каких величин зависит классическая электропроводность?

3.Каковы основные положения теории Ферми? Какие свойства характеризуют электроны в этой теории?

4.Каков физический смысл энергетической зоны? Как видоизменяются энергетические уровни электронов в кристаллической решетке в сравнении со свободными атомами?

5.Охарактеризуйте зонную структуру металлов диэлектриков и полупроводников.

6.Что такое эффективная масса электрона? Чем она отличается от его массы покоя?

74

ПРОГРАММА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К СДАЧЕ ЭКЗАМЕНА

по дисциплине «Физика конденсированного состояния»

Атомная структура и строение твердых тел

Классификация твердых тел: диэлектрики, полупроводники, металлы. Элементарные вещества, бинарные и сложные соединения, твердые растворы. Монокристаллы, поликристаллические и аморфные вещества, жидкие кристаллы, квазикристаллы. Полиморфизм.

Методы исследования и описания атомной структуры конденсированных сред

Элементы симметрии, трансляционная симметрия. Элементарная ячейка, решетки Бравэ, ячейка Вигнера-Зейтца. Дифракция рентгеновских лучей на моно- и поликристаллах, уравнение Вульфа-Бреггов. Анизотропия монокристаллов, кристаллофизический принцип фон Неймана.

Тепловые колебания решетки.

Оптические и акустические фононы. Элементы статистики фононов. Температура Дебая. Ангармонизм колебаний атомов и тепловое расширение твердых тел.

Электронное строение твердых тел. Основы зонной теории.

Волновые функции и энергетический спектр электронов в твердом теле. Квазиимпульс и эффективная масса носителей заряда в полупроводниках. Зоны Бриллюэна.

Статистика равновесных электронов и дырок в полупроводниках.

Уровень Ферми и его температурная зависимость. Собственные и примесные полупроводники. Вырождение электронного газа в полупроводниках.

Кинетические явления в полупроводниках. Уравнение Больцмана.

Электропроводность полупроводников и ее температурная зависимость. Гальваномагнитные явления в полупроводниках. Эффект Холла. Термоэлектрические и термомагнитные эффекты в полупроводниках.

Оптические и фотоэлектрические явления в конденсированных средах.

Фотоиндуцированные переходы электронов в прямозонных и непрямозонных полупроводниках. Фотопроводимость. Центры окраски. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей тока в полупроводниках. Диэлектрическая релаксация. Длина экранирования.

75

Поверхностные явления в полупроводниках.

Электронные процессы на поверхности твердых тел при хемосорбции. Эффект поля, его исследование и использование. Основы физики МДПструктур.

Контактные явления в гетерогенных системах.

Работа выхода электронов. Контакт двух металлов, контакт металла с полупроводником. Понятие о варизонных полупроводника, полупроводниковых сверхрешетках и гетероструктурах.

Диэлектрические свойства твердых тел.

Механизмы поляризации диэлектриков. Электрострикция, пьезоэффект, пироэффект. Сегнетоэлектрики, электреты.

Магнитные свойства твердых тел.

Природа диа-, пара- и ферромагнетизма. Ферримагнетики, антиферромагнетики. Понятие о мультиферроиках.

Основы физики и химии наноматериалов.

Свойства индивидуальных наночастиц. Металлические нанокластеры. Полупроводниковые наночастицы. Молекулярные кластеры. Методы стабилизации наночастиц. Углеродные наноструктуры. Объемные наноструктурированные материалы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дисциплина «Физика конденсированного состояния» относится к базовой части профессионального цикла основной образовательной программы подготовки бакалавров. Основные положения должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих общепрофессиональных и специальных дисциплин. Знания и практические навыки, полученные при изучении данной дисциплины, используются студентами также при изучении естественнонаучных дисциплин, при подготовке курсовых и дипломных работ, а также при обучении в аспирантуре.

Авторы надеются, что данное пособие поможет студентам в реализации этих задач.

76

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основная

1.Физика твердого тела: учеб. пособие / сост. В.Л. Матухин. − Краснодар : Лань, 2010. − 218 с.

2.Физика твердого тела: учеб. пособие / сост. А.С. Василевский. − М.:

Дрофа, 2010. − 210 стр.

3.Физика конденсированного состояния: учебно-методический комплекс / сост. О.Н. Третьякова. − Калуга, Москва : Эйдос, 2011. – 386 с.

4.Физика твердого тела для инженеров: учеб. пособие / сост. В.А. Гуртов, Р.Н. Осауленко. – М. : Техносфера, 2007. – 520 с.

5.Епифанов Г.И. Физика твердого тела / Г.И. Епифанов. – СПб. : Лань,

2010. – 288 с.

6.Физика твердого тела: учеб. пособие / ред. И.К. Верещагин. – М. :

Высш. шк., 2001. – 236 с.

7.Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. − М.: Физматлит, 2007. − 416 с.

Дополнительная

1.Физические методы исследования тонких пленок и поверхностных слоев: учеб. пособие / В.И. Кукуев, И.Я. Миттова, Э.П. Домашевская. – Воронеж : ВГУ, 2001. − 144 с.

2.Твердотельные сенсорные структуры на кремнии : учеб. пособие / сост. Е.А. Тутов, С.В. Рябцев, А.В. Шапошник, Э.П. Домашевская. − Воронеж :

ВГУ, 2010. − 231 с.

77

2.1.Энергия взаимодействия атомов кристаллической решетки

2.2.Теория теплоемкости твердых тел (классическая и квантовая

78

Учебное издание

Белко Владимир Николаевич

Тутов Евгений Анатольевич Никишина Анна Игоревна Абрамов Александр Владимирович

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ в примерах и задачах

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по направлению подготовки 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов»

В авторской редакции

Подписано в печать 28.04.2017г. Формат 60х84 1/16.

Уч.-изд. л. 5,6. Усл. печ. л. 4,9.

Бумага для множительных аппаратов. Тираж 250 экз. Заказ № 38.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский проспект, 14

Участок оперативной полиграфии издательства ВГТУ 394026 Воронеж, Московский проспект, 14

79