Solidele sunt constituite din numere uriașe (N≈1023) de atomi. Acestea, la rândul lor, sunt formate dintr-un nucleu înconjurat de un număr de electroni caracteristic al fiecărei specii chimice. Atunci când atomii sunt uniți pentru a forma un solid, cei mai exteriori electroni ai fiecărui atom interacționează atât de intens cu cele ale celor mai apropiați vecini decât statutul lor este modificat în raport cu atomul izolat. Electronii atomilor ale căror stat se schimbă remarcabil atunci când condensarea solidului se numesc electroni ai Valencia; La restul, electronii corticali.
Un solid este considerat astfel format din două subsisteme: o rețea de ioni, constituită de nucleele atomice plus electroni corticali și un set de electroni din Valencia. Deoarece aproape toată masa unui atom este conținută în nucleu apare că ionii sunt mult mai grei decât electronii din Valencia; În consecință, dinamica ionică și electronică apar pe scale foarte diferite de timp. Din acest motiv, așa-numita armonizare născută-oppenheimer poate fi aplicată și descompune studiul fizicii solide în două probleme diferite: fizica rețelelor Ionice și cea a sistemelor de electroni din Valencia.
Proprietățile solidelor sunt apoi suprapunerea contribuțiilor fiecăruia dintre aceste subsisteme. Se întâmplă adesea că există contribuții suplimentare care pot proveni din caracteristici speciale ale ionilor care formează fenomenele solide sau cooperative datorită interacțiunilor intense date în faza condensată a materiei. Astfel, de exemplu, existența unor ioni care prezintă momente magnetice dă naștere magnetismului solidelor sau interacțiunilor speciale între rețeaua Ionului și electronii din Valencia provoacă superconductivitate.
div> iv id = „FDF685C3DB „
imagine de pe pagina web” Structurile de cristal lattice „, întreținute de Centrul Computational pentru Știința Materialelor de laborator a Marinei Statelor Unite.
Structura unui cristal este descrisă dintr-un număr mic de ioni, de la doar câteva zeci, aranjați unul față de alții într-un mod bine definit, numit baza atomică datorită caracterului său constituentului fundamental al cristal. Sticla este apoi repetarea periodică a bazei atomice pe tot parcursul spațiului ocupat de geam. O regulă este necesară pentru a spune în ce puncte spațiale specifice pe care trebuie să le plasați copiile bazei atomice. Acest lucru este dat de un concept matematic abstract numit Bravais Network, care este un set de puncte a căror caracteristică fundamentală este invariația translațională: rețeaua este egală de oricare dintre nodurile sale.
Rețelele de cristal astfel definite sunt structuri statice. De fapt, ionii nu rămân fixați în pozițiile rețelei, ci efectuează mișcări oscilante în jurul lor cu o amplitudine care crește cu temperatura. Pozițiile rețelei cristaline sunt, prin urmare, pozițiile medii ale ionilor în timp. Un studiu complet al rețelei Ion de sticlă are, prin urmare, să includă dinamica rețelelor de cristal clare. Analiza acestei mișcări colective a cristalului, în conformitate cu principiile fizicii cuantice, are ca rezultat o dinamică definită de enumerarea unei colecții de moduri de vibrație caracteristice, definită de frecvența sa și de gradul de entuziasm al fiecărui mod, măsurat de numărul de fonoane din ea. Aplicarea tehnicilor de fizică statistică, se obține contribuția vibrațiilor de rețea la proprietățile solide.
Structura cristalului de clorură de sodiu.
Această imagine prezintă structura unui cristal comun de sare, NaCI. Sferele verzi reprezintă ionii NA și ionii albastri ai lui Cl.Aranjamentul spațial al ionilor din cristal poate fi descris de o rețea curajoasă a tipului cub centrat pe fețe și o bază atomică formată de o pereche de ioni NA-CI.
O rețea de Bravais este un concept matematic, geometric adecvat. Este un set de puncte distribuite periodic pe spațiu. În cazul figurii, aceste puncte sunt în centrele sferei albastre, s-ar răspândi în tot spațiul, dar numai 14 dintre ele au reprezentare în imagine. În ea se vede că punctele rețelei sunt lăsate în vârfuri și în centrele fețelor unui hexaedron sau cub. Prin urmare, numele rețelei: Cubic centrat pe fețe.
Baza atomică este un concept fizic. În acest exemplu, acesta poate fi definit ca o pereche de ioni NA-CI, separați la o distanță egală cu jumătate din diagonala cubului și având segmentul legând direcția unei diagonale la ioni. Repetarea acestei unități pe fiecare nod din rețeaua Bravais este construită.
Alte materiale au cristale similare, cu singura diferență pe care speciile chimice ale ionilor implicați sunt diferite. Un exemplu este oxidul de mangan, MNO, un material interesant pentru proprietățile sale magnetice. Descrierea structurilor altor cristale necesită rețele de bravii și baze atomice diferite.
| Studiul contribuției electronilor Valencia la proprietățile solidelor este o problemă importantă și nu numai din punct de vedere fundamental. Acești electroni contribuie în mod semnificativ la proprietățile solide, cum ar fi coeziunea materialului, răspunsul la schimburile de căldură sau capacitatea de a efectua energie electrică. Acesta din urmă este deosebit de important, prin urmare, tehnologiile legate de electricitate, fundamentale pentru dezvoltarea economică, necesită cunoașterea proprietăților electrice ale șoferilor și izolatoarelor. În același mod, proprietățile electronice ale materialelor semiconductoare sunt la baza dezvoltării electronicii și a informaticii.
Teoria electronilor de valență în solide are două ingrediente: fizica cuantică, care ne spune că sunt statele în care sunt statele Este posibil să se găsească electroni în solide și fizica statistică, care ne informează despre probabilitatea ca acele stări cuantice să fie ocupate. Statele cuantice accesibile unui electron într-un solid sunt organizate în benzi energetice; Aceasta este, în general, nu toate valorile energetice sunt accesibile unui electron, dar numai cele din anumite benzi permise. Acestea din urmă implică existența unor benzi de energie interzisă. Potrivit fizicii statistice, cele mai mici stări de energie sunt ocupate, cele mai mari șomeri energetice și într-un interval de energie mic în jurul unei energii de referință, numit Fermi Energy, Probabilitatea de ocupație scade rapid. În unele solide, energia Fermi se află într-o bandă permisă: aceste materiale se comportă ca dirijori. În altă energie Fermi se află într-o bandă interzisă, acesta este apoi izolant, când această bandă este largă și semiconductori atunci când este îngustă. Structura trupei, combinată cu valoarea energiei Fermi, determină, prin urmare, natura electrică a solidului. |
iv id = „1438F82181”
imagine de la Site-ul „Fermi Suprafețe”, întreținut de Institutul Tehnic de Fizică al Universității Tehnice din Dresda. |
|
Cupru FermiR Este un metal cunoscut și util pentru proprietățile sale bune ca dirijor de energie electrică. Stările cuantice accesibile unui electron într-un solid sunt reprezentate ca puncte într-un rezumat spațiu, numit spațiu-k. Aceasta oferă un instrument geometric, util pentru a înțelege natura electronică a solidelor. Imaginea, generată de calculator, arată regiunea spațială-K în care toate statele accesibile electronilor Valencia sunt conținute într-un cristal de cupru. Acesta este interiorul poliedronului, numit Hexaedru trunchiat, limitat de 8 fețe hexagonale și șase fețe pătrate prezentate în figură prin linii întunecate. suprafața curbată, galbenă, cu deschideri circulare de lângă fața hexagonală a poliedronului este suprafața Fermi. Statele de pe această suprafață au o energie egală cu energia lui Fermi. La o temperatură zero, statele din interiorul aceluiași a energiei, sunt ocupate și exterioare șomerii. Această situație este foarte puțin modificată prin creșterea temperaturii.Avem o imagine grafică a ocupației de stări electronice de către electronii din Valencia în cupru. Existența unei suprafețe Fermi indică faptul că materialul este un șofer. Pentru izolatoare și semiconductori nu este posibilă definirea unei suprafețe Fermi. |
Fizica solidă de stat Este parte din fizica de dezvoltare relativ rece : Majoritatea conceptelor care alcătuiesc această disciplină sunt mai puțin de o sută de ani. Prima dată relevantă dată de la sfârșitul secolului al XIX-lea și la începutul secuirii și se referă la descrierea și determinarea structurilor cristaline. Cu toate acestea, cea mai mare parte a corpului de cunoaștere a fizicii solide de stat a fost dezvoltată din primul trimestru al secolului al XX-lea, odată mai multe părți fundamentale ale fizicii, cum ar fi fizica cuantice și fizica statistică în care sunt susținute, au fost bine stabilite. Cercetarea privind fizica solidă a statului au obținut recunoașterea Premiului Nobel în mai multe rânduri. Iată conexiunile cu paginile web ale Fundației Nobel dedicate premiilor acordate până acum pentru a cerceta pe ioni și electroni în solide:
- Max von Laut (1914): Descoperirea difracției x-ray Prin cristalele.
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg (1915): Contribuții la analiza structurilor cristaline prin intermediul razelor X.
- Clinton Joseph Davisson, George Paget Thomson (1937): Descoperirea experimentală a difracției electronice prin cristale.
- William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1956): Cercetarea semiconductorului și descoperirea efectului tranzistorului.
- Leo eskaki (1973): Descoperirea experimentală a fenomenelor efectului de tunel în semiconductor.
- klaus von klitzing (1985): Descoperirea efectului Hall Quantum.
- Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull (1994): Dezvoltarea tehnicilor de difracție a neutronilor ca instrumente experimentale în fizica materiei condensate.
Trebuie să observați că prima jumătate a secolului al XX-lea a fost una dintre vârstele de aur ale fizicii pentru suma și importanța descoperirilor făcute în el. Prin urmare, este posibil ca această listă să fie infraroșu contribuțiile făcute de comunitatea științifică la fizica solidă, deoarece mulți dintre cei care au dezvoltat elementele de bază ale acestei discipline au fost acordate din alte motive. Astfel, Albert Einstein și Peter Debye, care au făcut contribuții fundamentale la teoria dinamicii rețelelor cristaline, au fost acordate prin înțelegerea efectului fotoelectric și a studiului fizico-chimiei de gaze și molecule, respectiv. În mod similar, Enrico Fermi și Paul Dirac, care au contribuit la dezvoltarea fizicii electronice în solide, au fost acordate pentru contribuțiile lor la dezvoltarea fizicii cuantice.