Физика конденсированного состояния вещества

Входит в программу гос. экзамена – февраль 2012.

У Давлетовой (Олеся Александровна) есть электронный вариант по спектроскопии (часть материала).

Литература:

• Павлов П.В., Хохлов А.Ф. – Физика твёрдого тела; Москва, Высшая Школа, 1985

• Киттель Ч. – Введение в физику твёрдого тела (ФТТ), М., Наука, 1978

• Ажкрофт Н., Мермин Н. – ФТТ, М., Мир, 1979

• Блэйкмор Дж. – ФТТ, М., Мир, 1988

• Давыдов А.С. – Теория твёрдого тела (ТТ), М., Наука, 1976

• Займан Дж. – Принципы ТТ, М., Мир, 1966

• Шаскольская М.П. – Кристаллография, М., Высшая Школа, 1984 (этот предмет будет в следующем семестре)

• Фридэль Ж. – Дислокации, М., Мир, 1967

Лекция № 0 от 02.09.2011

Лекция № 1 от 09.09.2011

Тема 1: Предмет физики конденсированного состояния (фкс)

Основные проблемы ФКС

ФКС представляет собой один из важнейших разделов современной науки. Благодаря успехам физики твёрдого тела стали возможны выдающиеся достижения квантовой электроники, полупроводниковой техники, достижения в области создания материалов с уникальными физическими свойствами, достижения в области нанотехнологий и наноматериаловедения. Так использование наноматериалов открывает новую эпоху практически во всех областях научно-технического прогресса, в наноэлектронике, медицине, мембранной технологии и так далее.

Примерно половина всех физиков мира занимаются теми, или иными вопросами ФКС. Большой вклад в развитие ФКС внесли Российские учёные: Френкель, Ландау, Гинзбург, Шубников, Белов, Богалёва и другие.

Твёрдое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положения равновесия.

Существуют кристаллические и аморфные твёрдые тела.

Кристаллическим твёрдым телом называют ТТ, у которого расположение атомов периодически повторяется, и поверхностные грани которого, если исследуемый образец монокристалл, с большой вероятностью располагаются друг относительно друга под вполне определёнными углами.

Для кристаллов характерен так называемый «дальний» порядок, это значит, что строгая периодичность в расположении атомов кристалла сохраняется во всём объёме кристалла.

Аморфные твёрдые тела проявляют так называемый «ближний» порядок, когда периодичность сохраняется только в небольшой области вокруг выбранного атома. Дальний порядок в аморфных телах отсутствует. Примеры аморфных тел: стекло, полимеры, угольная сажа, и т.д. Степень упорядоченности аморфных тел сильно зависит от условий их приготовления, поэтому их изучение представет собой весьма сложную задачу.

ΝΒ: Устойчивым состоянием, т.е. состоянием с минимальной внутренней энергией, является кристаллическое состояние.

Предмет ФКС. ФТТ.

ФТТ (ФКС) – наука о строении и свойствах твёрдых тел (конденсированных состояний), и происходящих в них явлениях.

Свойства твёрдых тел можно объяснить исходя из знания их атомно-молекулярного строения и законов движения его атомных (атомы, ионы, молекулы) и субатомных (электроны, ядра) частиц.

Накопление и систематизация данных о макроскопических свойствах твёрдых тел начилось с XVII века: были открыты законы Гука (1660 г.), Дюлонга-Пти (1819 г.)(теория теплоёмкости), Ома (1826 г.) и другие. Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве, и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия было в окончательном виде сформулировано французским учёным Бреве в 1848 году. В 1890..91 гг. Фёдоров доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов – 230 вариантов упорядоченного расположения атомных и субатомных частиц в твёрдых телах.

В 1912 году немецким учёным Лауэ была открыта дифракция лучей на кристаллах – это окончательно утвердило представление о твёрдом теле как об упорядоченной дискретной структуре.

В 1913 году англичание Вульф им Брэг установили закон дифракии: разность хода, падающих на кристалл лучей, должна быть равна целому числу длинн волн:

На основе этого были разработаны методы экспериментального определения расположения атомов в кристалле и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеноструктурному анализу и другим дифракционным методам исследования кристаллической структуры твёрдых тел.

В 1927 году американцы Девидсон и Джерми наблюдали дифракцию электронов на кристалле, а затем и дифракцию нейтронов.

В 1922 году Иоффе объяснил низкую прочность, наблюдаемую у реальных кристаллов влиянием макроскопических дефектов на их поверхности (трещины, надрезы и так далее).

В 1933 году Тэйлор, Орован (США) и Поляни (Англия) сформировали понятия о дислокациях. Они определили, что механические свойства зависят от обработки твёрдого тела, вносящий или устраняющий дефекты.

В 1926 году Френкель обратил внимание на наличие в реальных кристаллах точечных дефектов и указал на их роль в процессе диффузии.

Существует ряд теорий, описывающих структуру и свойства твёрдых тел.

• Динамическая теория кристаллических решёток была разработана в начале ΧΧ века. Кристаллическая решётка была представлена как совокупность связанных квантовых осцилляторов. Эта совершенная теория была построена голландским учёным Дебаем (1912 год), а затем дополнена Борном и Карманом (1913 год) и Шредингером (1914). Квантование колебательных движений атомов, составляющих кристаллическую решётку, привело к введению понятия фонона (Тамм, 1929 год).

• Электронная теория твёрдых тел рассматривает роль электронов в твёрдых телах. Начало положил немецкий учёный Друде (1900 год). Он высказал идею, что электроны в твёрдом теле образуют так называемый свободный электронный газ. Дальше эта теория была развита голландцем Лоренцем (1904..5 годы).

• Квантово-механическое рассмотрение влияние периодического поля кристаллической решётки на движение электронов (американец Блох, француз Бриллюэ, 1928..34 годы) привело к созданию зонной теории – основы современной электронной теории твёрдого тела.

В 1931 году англичанин Винсон указал на то, что существование твёрдых тел с различными электрическими свойствами связано с характером заполнения зон при температуре Т = 0°К (металлы, диэлектрики, полупроводники).

(Знать зонное строение твёрдых тел!)

В 1928 году Френкель и Гейзенберг показали, что в основе явления ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие.

В 1932..33 годах француз Нейель и россиянин Ландау Л.Д. предсказали антиферромагнетизм.

В 1911 году была открыта сверхпроводимость.

В 1938 году – сверхтекучесть (Пётр Копица).

Эти открытия стимулировали развитие новых методов квантовой статистики.

В 1941 году Ландау разработал феноменологическую теорию сверхтекучести. В 1950 году Ландау и Гинзберг создали теорию сверхтекучести.

В 1957 году была создана микроскопическая теория сверхпроводимости (Бардин, Купер, Шифер, Боголюбов).

Все эти основные теории нашли своё отражение и в современных, недавно открытых или созданных материалах нанометрового размера. Активное развитие наноматериаловедения началось с 90-х годов XX века, когда были открыты новые формы существования углерода – фуллерены и нанотрубки. Начался этап развития нанотехнологий.