Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния

Большинство физических веществ в основном состоянии имеет исключительно кристаллическое строение, характеризующееся трансляционной асимметрией, а также симметрией относительно отражений и вращений.

Если твердые тела по своей форме не имеют кристалликов, они состоят из этих соединений, которые хаотично расположены друг к другу.

Кристаллическую структуру возможно определить посредством правильного рассеяния рентгеновских лучей, электронов или нейтронов.

Открытые 22 года назад высокотемпературные сверхпроводники вызвали повышенный интерес к физике конденсированного состояния. Эти устройства предоставили возможность использовать для охлаждения недорогой жидкий азот, а также пробудили надежду на получение сверхпроводимости при обычных, комнатных температурах.

Определение 1

Физика конденсированного состояния — одна из самых интересных областей физики с точки зрения математических моделей и разнообразных приложений к реальности.

Конденсированные пространства с различными свойствами можно встретить абсолютно повсюду: аморфные тела и кристаллы, обычные жидкости, материалы со сложной многогранной структурой, квантовые жидкости (сверхтекучие среды, электронная жидкость в металлах, нейтронные частицы, атомные ядра), магнитные моменты, спиновые цепочки и сложные сети.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Введение в теорию конденсированного состояния

Вещество в естественных условиях может находиться в четырех основных, агрегатных состояниях:

  • плазма;
  • газ;
  • жидкость;
  • твердое тело, состоящие из ядер и электронов.

В действительности разнообразие вещества определяется физическими силами, которые связывают микрочастицы с их тепловым движением, стремящимся вырваться из этой связи. Следовательно, по мере увеличения температуры и средней кинетической мощности теплового движения вещество постепенно переходит в жидкое состояние, а затем в плазменное или газообразное.

В плазме насыщенность такого движения разрушает все электронные оболочки атомов, и в веществе остаются только электроны и ионы, которые при высоких температурах лишаются своих оболочек. В этом случае плазму называют горячей.

Для того, чтобы иметь представление о температурах, при которых тело будет находиться в плазменном состоянии, необходимо оценить температуру, выше которой водород выступать в виде плазмы. Это возможно, если средние показатель кинетической энергии частиц ($~kT$) будет больше энергии ионизации водорода $Ei$.

В газах ядра и электроны объединяются в атомы и молекулы, которые практически не связаны между собой.

При температуре ниже градуса кипения тепловое движение веществ не может самостоятельно разорвать связи между основными структурными элементами.

В результате этого, частицы пребывают в конденсированном состоянии: твердом и жидком. При подобном давлении плотности вещества в указанных состоянии почти не отличаются.

Характер тел в конденсированном состоянии

На сегодняшний день физики различают аморфные и кристаллические твердые тела. В кристаллах равносильные положения атомов формируют систематически повторяющуюся структуру, которая называется кристаллической (дальний порядок).

В аморфных твердых телах повторяемость центральных элементов структуры может распространиться только на определенные группы атомов (ближний порядок).

Стоит отметить, что дальний порядок в аморфных частиц полностью отсутствует, поэтому именно эти вещества исследованы намного хуже кристаллических.

По характеру интенсивности, соединяющей между собой ионы и атомы, твердые тела можно разделить на:

  • ионные;
  • ковалентные;
  • металлические;
  • молекулярные кристаллы.

Замечание 1

Четкой и обозначенной границы между ними не существует, но такое разделение помогает ученым отражать преимущественный тип интенсивности между основными структурными элементами конкретного вещества.

Насыщенность межатомных сил основывается на энергии связи, необходимой для полноценного разделения твердой частицы на отдельные молекулы, атомы и ионы.

В физике конденсированного состояния центральную роль играют так водородные связи, которые осуществляются с помощью ядра атома водорода — протона. Деление всех конденсированных веществ по типу связи считается в значительной мере условным.

Такое явление можно наблюдать на примере обычного твердого углерода. В кристаллической форме алмаза углерод выступает идеальным диэлектриком и четко выраженным ковалентным кристаллом. У углерода в виде графита параллельно с ковалентными взаимосвязями между слоями часто проявляются металлические характеристики самих слоев. Поэтому графит имеет хорошую электропроводность.

Объекты и методы физики конденсированного состояния

Методологической базой исследования конденсированного состояния вещества выступает разнообразие физических законов как макроскопической физики, так и механики, электродинамики, термодинамики, квантовой теории и статистической физики с динамикой сплошных сред.

По сложившейся традиции, начиная со времен Ньютона и Галилея (XVII век), разделение физических объектов и изучения физики конденсированного состояния осуществляется посредством их структурных свойств, разъединенных на жидкости и твердые тела.

Знакомство с такими объектами происходит на уровне феноменологического описания и началось еще задолго до становления физики как полноценной.

Эти вещества составляют базу окружающего людей мира в виде литосферы, атмосферы и гидросферы нашей планеты, поэтому они доступны естественному восприятию органами чувств.

То же можно отнести и к делению тел по оптическим параметрам на прозрачные и непрозрачные в доступном диапазоне электромагнитной шкалы длин частотных волн.

Начиная приблизительно с начала 20-го века в физике конденсированного состояния возникло два основных направления, а именно физика «твердого» и «мягкого» состояний частиц; к последнему ученые относят различные объекты химии высокомолекулярных соединений – биополимеры, а также элементы физической химии – гели, аэрозоли и фуллерены.

На достижениях в области «твердого» вещества еще 60 лет назад базировалась значительная часть успешного использования физики конденсированного состояния, благодаря чему появились уникальные лазерные технологии, полупроводниковые оборудования, сверхпроводимость веществ. На сегодняшний день в компьютерных и других инновационных технологиях основная роль достается «мягкому» веществу.

Стремительное развитие физики конденсированного состояния продемонстрировало, что сверхпроводимость элементов может возникать путем совершенно иного механизма, причем не в металлических оболочках, а в оксидных прочных керамиках с примесями разнообразных элементов; важно, что это возможно только при очень высоких температурах.

Замечание 2

линия продвижения теории конденсированного состояния в последние несколько лет идет в направлении все более широкого использования с учетом особенностей строения реальных и неидеальных твердых тел с дефектами, сложных изотропных материалов, а также с уникальными свойствами квантовых «слоек» и «нитей», где особую роль играет туннельный видимый эффект, имеющий исключительно квантовую природу.

Новые достижения в области физики конденсированного состояния с каждым днем представляют еще более уникальные возможности. В частности, уже на данный момент получили широкое распространение частицы магнитной памяти нового поколения, который в своей работе используют принципы спинтроники на основе гигантского магнитосопротивления.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_kondensirovannogo_sostoyaniya/

Физика (Физика конденсированного состояния вещества) 011200.62

Физика конденсированного состояния

Профиль подготовки: Физика конденсированного состояния веществаУровень образования: Бакалавриат
Код направления подготовки: 03.03.02Старый код: 011200.62Группа направления (УГНП): «Физика и астрономия»Скачать стандарт ФГОС-3
специальностейМесто в рейтинге
30Все специальности145 из 2643 из 4

Для друзей

Срок обученияНа базе 11 класса:
Вступительные экзамены
Прием абитуриентов в высшие учебные заведения России осуществляется по результатам Единого государственного экзамена (ЕГЭ). Согласно правилам приема в вузы, учебные заведения имеют право устанавливать не менее трех вступительных экзаменов (включая обязательный русский язык и профильный предмет) согласно Перечню вступительных испытаний. Данный перечень формируется Министерством образования и науки.Прием абитуриентов в средние специальные учебные заведения проводится по результатам ГИА или ЕГЭ. Колледжи и техникумы имеют право устанавливать не менее двух вступительных экзаменов, одним из которых должен быть русский язык. Перечень вступительных испытаний в колледжи также устанавливает Министерство образования и науки.

1. Русский язык

2. Физика (профильный)

3. Математика

 или 

Информатика и ИКТ

Будущая квалификация

Это уровень подготовки выпускников средних специальных и высших учебных заведений. Выпускникам, освоившим образовательные программы высшего профессионального образования, присваивается квалификация (степень) бакалавра, специалиста либо магистра по соответствующему направлению подготовки. Степень бакалавра позволяет поступить в магистратуру, а квалификация специалиста и магистра – в аспирантуру.Выпускники техникумов и колледжей получают квалификацию базового или повышенного уровня подготовки. Название квалификации зависит от профессиональной области. Педагогическое образование предполагает получение квалификации учителя, педагога или воспитателя, медицинское – акушера, фельдшера, образование в области искусства – актера, художника, модельера. Во всех остальных областях выпускникам присваивается квалификация техника, технолога, техника-технолога (базовый уровень) или старшего техника, старшего технолога, старшего техника-технолога, специалиста (повышенный уровень).

Бакалавр по направлению подготовки «Физика»

Будущие профессии Инженер-физик | Учитель физики | Физик | Физик-аналитик | Физик-исследователь | Физик-теоретик
Чему научат?
  • Знать основные закономерности формирования конденсированных сред
  • Знать основные методы изучения кристаллических структур
  • Делать описание основных состояний в твердом теле
  • Понимать основные закономерности структуры и физических свойств жидкого состояния
  • Делать описание электронного состояния в конденсированных средах
  • Рассчитывать физические свойства веществ в твердом и жидком состоянии
  • Проводить теоретические и экспериментальные исследования в физике твердого тела
  • Изучать экспериментальное состояние конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовые переходы в них и их фазовые диаграммы состояния
  • Обрабатывать и анализировать экспериментальную и теоретическую физическую информацию в области физики конденсированного состояния
  • Проводить теоретические и экспериментальные исследования воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ
  • Разрабатывать экспериментальные методы изучения физических свойств материалов
  • Создавать физические основы промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами
  • Разрабатывать математические модели построения фазовых диаграмм состояния и прогнозирования изменения физических свойств конденсированных веществ в зависимости от внешних условий их нахождения
Важные учебные предметыМетоды математической физики | Общая физика | Общий физический практикум | Основы астрономии | Основы биофизики | Основы медицинской физики | Основы физики конденсированного состояния | Программное обеспечение в физических исследованиях | Теоретическая физикаНайти специальности со схожими предметами
Практика студентовСтуденты данного профиля подготовки проходят учебную и производственную практики, которые могут быть организованы на кафедрах и в лабораториях вуза, в учреждениях РАН, в конструкторских и проектных фирмах, а также на производственных предприятиях, внедряющих нанотехнологии.
Итоговая аттестация студентов:
  • Защита выпускной квалификационной работы (бакалаврская работа)
  • Государственный экзамен (по решению вуза)
Вузы, в которых можно освоить специальность
МоскваНациональный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Похожие специальности
Поищем по тегам?физическое образование, физические специальности, профессия физик, физико-математическое образование, физико-математические специальности
Материал подготовлен сайтом www.moeobrazovanie.ruЛюбое использование материала страницы допускается только с письменного согласия редакции.

Источник: https://moeobrazovanie.ru/specialities_vuz/fizika_fizika_kondensirovannogo_sostoyaniya_veschestva.html

1. Электронные состояния в твердых телах.

Теории металлов Друде и Зоммерфельда. Недостатки модели свободных электронов. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Адиабатическое приближение. Приближение Борна — Оппенгеймера. Невзаимодействующие электроны в кристаллической решетке.

Трансляционная симметрия. Квазиимпульс. Общие свойства зонного спектра. Различные методы расчета зонной структуры. Методы сильной и слабой связи. Плотность состояний. Заполнение энергетических зон электронами. Металлы. Диэлектрики. Полупроводники. Поверхность Ферми.

Взаимодействующие электроны. Приближение Хартри-Фока. Модель Хартри-Фока для свободных электронов. Экранирование. Теория Томаса-Ферми. Теория Линдхарда. Слабо неидеальный ферми-газ с отталкиванием. Основы теории ферми-жидкости. Когезионная энергия.

Ионные и ковалентные кристаллы, металлы.

2. Теория колебаний решетки.

Недостатки модели статической решетки. Классическая и квантовая теории гармонического кристалла. Акустические и оптические фононы. Решеточная и электронная теплоемкость. Закон Дебая. Фонон-фононное взаимодействие. Ангармонизм и тепловое расширение. Процессы переброса. Электрон-фононное взаимодействие.

3. Магнитные свойства твердых тел.

Электрон в решетке в магнитном поле. Симметрия состояний. Эффект де аза-ван-Альфена. Диамагнетизм Ландау. Парамагнетизм Паули. Магнитная восприимчивость. Теорема Ван-Леевен. Обменное взаимодействие. Дипольное взаимодействие. Магнитное упорядочение. Магноны. Диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм.

4. Транспортные свойства твердых тел.

Кинетическое уравнение Больцмана. Интеграл столкновений. Приближение времени релаксации. Проводимость и теплопроводность. Длина свободного пробега. Процессы рассеяния. Эффект Холла. Скин-эффект. Оптические свойства твердых тел. Межзонные переходы. Сверхпроводимость.

Основная литература

  1. Дж.Займан, Принципы теории твердого тела, Москва, Мир, 1966.
  2. М. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела, М., Мир,1979, 1 и 2 том.
  3. А.А.Абрикосов, Основы теории металлов, М.,Наука,1987.
  4. Л.Д.Ландау,Е.М.Лифшиц, т.3,5,9,10, курс «Теоретическая физика», М., Наука, 1976.
  5. Ч.Киттель. Введение в физику твердого тела.// М.: Наука. 1978, 791

Дополнительная литература

  1. Р.Уайт, Квантовая теория магнетизма, М., Мир, 1985.

Вопросы для контроля

  1. Вероятность процессов межэлектронного рассеяния в слабо-взаимодействующем Ферми-газе. Применимость теории Ферми-жидкости в реальных металлах.
  2. Электрон в решетке в слабом магнитном поле. Квазиклассика.
  3. Теплоемкость. Модель Эйнштейна.
  4. Экранировка. Теория Томаса-Ферми.
  5. Колебания и волны в 3-х мерной кристаллической решетке.
  6. Сохраняется ли квазиимпульс?
  7. Метод Хартри-Фока.
  8. Элементы симметрии кристаллической решетки.
  9. Симметрия состояний электрона в решетке в магнитном поле. Квазиклассический спектр. Циклотронная масса.
  10. Тензор эффективных масс электрона в решетке.
  11. Акустические и оптические фононы.
  12. Закон дисперсии квазичастиц в Ферми-жидкости.
  13. Кристаллические решетки. Решетка Бравэ.
  14. Энергетический спектр электрона в слабом периодическом потенциале.
  15. Плотность энергетических уровней.
  16. Теплоемкость металлов.
  17. Законы дисперсии акустических и оптических фононов при малых к.
  18. Адиабатическое приближение. Теорема Борна-Оппенгеймера.
  19. Спин-орбитальное взаимодействие и вырождение энергетических уровней в твердом теле. Симметрия относительно обращения времени.
  20. Эффект де Гааза — ван Альфена.
  21. Недостатки модели статической решетки.
  22. Закон дисперсии акустических фононов при малых к. Соотношение Бома-Ставера.
  23. Обменное взаимодействие.
  24. Метод сильной связи для расчета зонной структуры.
  25. Теорема Бора — ван Леевен.
  26. Функции Ванье.
  27. Концепция квазичастиц. Основные постулаты теории Ферми-жидкости.
  28. Фонон-фононное взаимодействие. Ангармонизм и тепловое расширение.
  29. Заполнение энергетических зон электронами. Металлы. Диэлектрики. Полупроводники.
  30. Теория Хартри — Фока для свободных электронов.
  31. Электрон — фононное взаимодействие.
  32. Экранировка. Теория Линдхарда.
  33. Теория металлов Друде.
  34. Оператор скорости электрона в решетке. Средняя скорость.
  35. Теория металлов Зоммерфельда.
  36. Процессы рассеяния в твердом теле. Правило Матиссена. Температурная зависимость сопротивления металла.
  37. Дифракция рентгеновского излучения в кристаллах.
  38. Оптическое поглощение в твердых телах. Межзонные переходы.
  39. Нормальный и аномальный скин — эффект.
  40. Квантование магнитного потока в сверхпроводниках.
  41. Теорема Блоха для электрона в периодическом потенциале.
  42. Теплоемкость. Интерполяционная формула Дебая.
  43. Поверхность Ферми. Методы ее экспериментального определения.
  44. Фононы. Квантовая теория колебаний решетки.
  45. Интеграл столкновений для рассеяния электронов на примесях.
  46. Спектр электронов в твердом теле в магнитном поле.
  47. Теплопроводность.
  48. Ферромагнетизм. Диамагнетизм. Парамагнетизм.
  49. Применимость квазиклассического описания движения электронов в металлах.
  50. Метод слабой связи для расчета зонного спектра.
  51. Условия экспериментального наблюдения эффекта де Гааза- ван Альфена.
  52. Теплоемкость диэлектриков.
  53. Обратная решетка и ее свойства.
  54. Диамагнетизм Ландау.
  55. Сверхпроводимость. Экспериментальные факты. Зависимость сопротивления от температуры. Эффект Мейсснера.
  56. Парамагнетизм Паули.

Источник: http://www.pnn.unn.ru/studies/curriculum/condensed_matter

Booksm
Добавить комментарий