Физика конденсированных сред

Тема 1: Предмет физики конденсированного состояния (фкс)

Физика конденсированных сред

Физикаконденсированного состояния вещества

Входит в программу гос. экзамена –февраль 2012.

У Давлетовой (Олеся Александровна) естьэлектронный 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 от02.09.2011

Лекция № 1 от09.09.2011

Основные проблемыФКС

ФКС представляет собой один из важнейшихразделов современной науки.

Благодаряуспехам физики твёрдого тела сталивозможны выдающиеся достижения квантовойэлектроники, полупроводниковой техники,достижения в области создания материаловс уникальными физическими свойствами,достижения в области нанотехнологий инаноматериаловедения. Так использованиенаноматериалов открывает новую эпохупрактически во всех областяхнаучно-технического прогресса, внаноэлектронике, медицине, мембраннойтехнологии и так далее.

Примерно половина всех физиков миразанимаются теми, или иными вопросамиФКС. Большой вклад в развитие ФКС внеслиРоссийские учёные: Френкель, Ландау,Гинзбург, Шубников, Белов, Богалёва идругие.

Твёрдое тело– агрегатное состояние вещества,характеризующееся стабильностью формыи характером теплового движения атомов,которые совершают малые колебаниявокруг положения равновесия.

Существуют кристаллическиеи аморфныетвёрдые тела.

Кристаллическим твёрдымтелом называют ТТ, у которого расположениеатомов периодически повторяется, иповерхностные грани которого, еслиисследуемый образец монокристалл, сбольшой вероятностью располагаютсядруг относительно друга под вполнеопределёнными углами.

Для кристаллов характерен так называемый«дальний»порядок, это значит, что строгаяпериодичность в расположении атомовкристалла сохраняется во всём объёмекристалла.

Аморфные твёрдые тела проявляют такназываемый «ближний»порядок, когда периодичностьсохраняется только в небольшой областивокруг выбранного атома.

Дальний порядокв аморфных телах отсутствует. Примерыаморфных тел: стекло, полимеры, угольнаясажа, и т.д.

Степень упорядоченностиаморфных тел сильно зависит от условийих приготовления, поэтому их изучениепредставет собой весьма сложную задачу.

ΝΒ: Устойчивымсостоянием, т.е. состоянием с минимальнойвнутренней энергией, являетсякристаллическое состояние.

Предмет ФКС. ФТТ.

ФТТ (ФКС) – наука о строениии свойствах твёрдых тел (конденсированныхсостояний), и происходящих в них явлениях.

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

Накопление и систематизация данных омакроскопических свойствах твёрдыхтел начилось с XVII века:были открыты законы Гука (1660 г.), Дюлонга-Пти(1819 г.)(теория теплоёмкости), Ома (1826 г.)и другие.

Представление о кристалле како совокупности атомов, упорядоченнорасположенных в пространстве, иудерживаемых около положения равновесиясилами взаимодействия было в окончательномвиде сформулировано французским учёнымБреве в 1848 году. В 1890..91 гг.

Фёдоров доказалвозможность существования 230пространственных групп симметриикристаллов – 230 вариантов упорядоченногорасположения атомных и субатомныхчастиц в твёрдых телах.

В 1912 году немецким учёным Лауэ былаоткрыта дифракция лучей на кристаллах– это окончательно утвердило представлениео твёрдом теле как об упорядоченнойдискретной структуре.

В 1913 году англичание Вульф им Брэгустановили закондифракии: разность хода, падающих накристалл лучей, должна быть равна целомучислу длинн волн:

На основе этого были разработаны методыэкспериментального определениярасположения атомов в кристалле иизмерения межатомных расстояний, чтоположило начало рентгеноструктурномуанализу и другим дифракционным методамисследования кристаллической структурытвёрдых тел.

В 1927 году американцы Девидсон и Джерминаблюдали дифракцию электронов накристалле, а затем и дифракцию нейтронов.

В 1922 году Иоффе объяснил низкую прочность,наблюдаемую у реальных кристалловвлиянием макроскопическихдефектов на их поверхности (трещины,надрезы и так далее).

В 1933 году Тэйлор, Орован (США) и Поляни(Англия) сформировали понятияо дислокациях. Они определили,что механические свойства зависят отобработки твёрдого тела, вносящий илиустраняющий дефекты.

В 1926 году Френкель обратил внимание наналичие в реальныхкристаллах точечных дефектови указал на их роль в процесседиффузии.

Существует ряд теорий, описывающихструктуру 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 нато, что существование твёрдых тел сразличными электрическими свойствамисвязано с характером заполнения зонпри температуре Т = 0°К (металлы,диэлектрики, полупроводники).

(Знать зонное строениетвёрдых тел!)

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

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

В 1911 году была открыта сверхпроводимость.

В 1938 году – сверхтекучесть (Пётр Копица).

Эти открытия стимулировали развитиеновых методов квантовой статистики.

В 1941 году Ландау разработал феноменологическуютеорию сверхтекучести. В 1950 году Ландауи Гинзберг создали теорию сверхтекучести.

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

Все эти основные теории нашли своёотражение и в современных, недавнооткрытых или созданных материалахнанометрового размера. Активное развитиенаноматериаловедения началось с 90-хгодов XX века, когда былиоткрыты новые формы существованияуглерода – фуллерены и нанотрубки.Начался этап развития нанотехнологий.

Источник: https://studfile.net/preview/7427669/

Предисловие к учебному пособию

Физика конденсированных сред

ПРЕДИСЛОВИЕ

Известно, что вещества вприроде могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из них конденсированными считаются жидкое и твердое. Вотличие от жидкостей и газов, твердые тела обладают упругостью формы.

Этозначит, что при изменении формы твердого тела под воздействием внешних сил вэтом теле возникают внутренние упругие силы, стремящиеся возвратить твердоетело к первоначальной форме.

Иными словами, твердое тело обладает способностьюсохранять (при неизменной температуре) свою форму и размеры.

Наука о конденсированных системах, по существу,зародилась одновременно с цивилизацией человечества.

Действительно, даженазвания ранних эпох цивилизации связаны с материалами, которые были в ту порув употреблении, в твердом, то есть в конденсированном состоянии, например,каменный век, бронзовый век и т. д.

Темпы развития ранней цивилизацииопределялись главным образом уровнем производства и обработки твердыхматериалов.

Твердые тела имеют наиболееширокое применение в технике. Можно с полной определенностью сказать, что безтвердого тела нельзя создать ни одной машины, ни механизма.

В подавляющембольшинстве машин, механизмов и других технических средств исполнительные«органы» представляют собою твердые тела.

Даже в тех случаях, когда исполнителемявляется жидкость (гидромонитор, гидротранспортер), она получает своенаправленное движение только вследствие взаимодействия с определенной системойтвердых тел.

Упорядоченность строениякристаллических твердых тел и связанная с этим анизотропность их свойств (очем подробнее будет сказано ниже) обусловили широкое применение кристаллов внауке и технике.

Кристаллы позволили выяснитьфизическую природу рентгеновских лучей, изучить волновые свойства электронов,дали возможность произвести широкий комплекс исследований в поляризованномсвете, помогли разгадать и многие другие загадки науки.

Впоследние десятилетия быстро развивается применение кристаллов вполупроводниковой технике, и возникло использование кристаллов в квантовыхгенераторах и усилителях (так называемые «лазеры» и «мазеры»), получающих всебольшее значение (передача информации, весьма точная обработка сверхтвердыхматериалов, тонкая хирургия на уровне клетки).

В ряде случаевтребуется создание материалов, обладающих определенным комплексом свойств, чтопредставляет особые трудности. Важная роль в решении указанных задач наряду синженерами и технологами принадлежит физикам.

На долю физиков приходится какразработка физических методов исследования и синтеза материалов, так исоздание последовательной микроскопической теории твердого тела, что являетсяглавной задачей. Физик, специализирующийся в области твердого тела, долженобладать широким кругозором.

Только при этом условии он сможет успешно работатьне только в установившихся направлениях, но и в новых направлениях,создающихся на наших глазах.

Новый курс физикиконденсированных сред имеет своей задачей изучение и установление зависимостимежду составом атомно-электронной структуры и различными физическими свойствамижидкостей и твердых тел. Главной задачей является выяснение вопросов механизмовконденсации, образования и роста кристаллов (кристаллизации) и вопросоввзаимодействия частей конденсированных систем.

Существует три вида конденсированного состояния:жидкое, твердое (кристаллы, поликристаллы) и аморфное.

Для исследованияконденсированного состояния применяются методы структурного и химическогоанализа, такие как металлографический, количественный металлографический,нейтронографический, радиоспектроскопический, электронного и ядерногорезонанса, метод меченых атомов и многие другие. Они имеют большое практическоезначение и используются:

1.  При разработкематериалов, обладающих особыми механическими свойствами (эластичностью,прочностью, жаропрочностью, твердостью –  металлокерамика, металлокристаллы,искусственные алмазы и др.).

2.

  При разработкематериалов, обладающих особыми физическими свойствами (с необходимымиэлектрическими, магнитными, оптическими и тепловыми свойствами: полупроводники,сверхпроводники, пьезоэлектрики, сегнето- и анти-сегнетоэлектрики,ферромагнетики, антиферромагнетики, кристаллы для инфракрасной иультрафиолетовой оптики, жидкие кристаллы, материалы с эффектом памяти формы,инвары, ковары; с заданными теплопроводностью и теплоемкостью и др.).

3. При разработке материалов, обладающих особыми химическими свойствами(материалы, обладающие коррозионной стойкостью при повышенных температурах, вагрессивных средах: кислотах, щелочах, солях и др.).

Для исследований конденсированного состояния можетприменяться  различная приборная техника: оптические микроскопы, которыепозволяют исследовать микроструктуру кристаллических и аморфных материалов приувеличении до 1000 раз; электронные микроскопы, позволяющие получить увеличениев десятки и сотни тысяч раз; рентгенотехника (источники рентгеновскогоизлучения, дифрактометры); ионные проекторы; квантометры и спектрографы (привозбуждении поверхностного слоя материала плазменным разрядом фиксируетсяспектр излучения, по которому судят о составе материала). Техника дляопределения механических свойств конденсированных веществ в твердом состоянииследующая: твердомеры и микротвердомеры, разрывные машины, маятниковые копры(для определения ударной вязкости) и многие другие устройства и приборы.Техника для определения физических свойств конденсированных материаловследующая: аналитические весы для определения плотности, дилатометры дляопределения коэффициента теплового расширения, измерители теплоемкости,измерители теплопроводности, мосты для определения электросопротивления,коэрцитиметры и анизометры, ультразвуковые дефектоскопы и др.

Большими одним из важнейших разделов физики конденсированных сред, имеющим весьма широкое практическоеприменение, является физика твердого тела.

В задачу физики твердого телавходит выяснение вопросов образования и роста кристаллов (кристаллизация) и ихразрушения под влиянием различных факторов (плавление, действие излучения и т.д.), а также исследование поведения вещества в широком диапазоне температур идавлений.

Физика твердого тела широкоиспользует данные об атомно-электронной структуре вещества и силах межатомногои межмолекулярного взаимодействий.

Она лежит воснове металловедения, материаловедения, производства полупроводников,пьезоэлектриков, сегнетоэлектриков, магнитных материалов, искусственныхдрагоценных камней (алмазов, рубинов и пр.), оптических кристаллов (в том числелюминофоров) и т. д.

Считаемсвоим долгом указать на то, что для подготовки настоящего учебного пособияиспользовались материалы учебников и других изданий авторов Я.С. Уманского,Ю.А. Скакова, С.З. Бокштейна, Ч. Уэрта, Р. Томсона, Г.И. Епифанова, Б.Н.Бушманова, Ю.А. Хромова, Ч.С. Баррета, Т.Б. Масальского, Ф.Е. Люборского, И.И.Новикова, П.П. Арсентьева, Л.А. Коледова, Г.С. Жданова и др.

Начинаяизлагать материал, необходимо указать на то, что физика конденсированных средобобщает три подраздела: физику жидкости, физику твердых тел и физику аморфныхтел.

Источник: https://vunivere.ru/work50582

Кафедра № 67

Физика конденсированных сред

Наименование программы:  «Наноэлектроника, спинтроника и фотоника»

Цели программы: подготовка бакалавров для научных и отраслевых организаций, где нужны исследователи с фундаментальным физико-математическим, а также экспериментально- технологическим образованием в области приборов микро- и наноэлектроники.

Сроки обучения при очно-заочной форме обучения:  4 года.

Выпускающая кафедра: Кафедра Физики конденсированных сред (№ 67).

Область профессиональной деятельности: средства, способы и методы, направленные на теоретическое и экспериментальное исследование, математическое и компьютерное моделирование, проектирование, конструирование, технологию производства, использование и эксплуатацию материалов, компонентов, электронных приборов, устройств, установок вакуумной, плазменной, твердотельной, микроволновой, оптической, микро- и наноэлектроники различного функционального назначения; использование инновационных технических решений для применения в современных и перспективных аналоговых, импульсных и цифровых электронных комплексах и системах; оценку экономической эффективности проектно-конструкторских решений, обеспечение необходимого уровня унификации, стандартизации и импортозамещения в рамках программ стратегического развития (ПСР) базовых отраслей промышленности.

Объекты профессиональной деятельности: материалы, компоненты, электронные приборы, устройства, установки, методы их исследования, проектирования и конструирования, технологические процессы производства, диагностическое и технологическое оборудование, математические модели, алгоритмы решения типовых задач, современное программное и информационное обеспечение процессов моделирования и проектирования изделий электроники и наноэлектроники.

Особенности учебного плана: Учебный план включает две основные стадии:

1) Единая для факультета ЭТФ базовая подготовка по гуманитарным, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам в течение двух лет.

Среди дисциплин общепрофессионального модуля на 3-м и 4-м курсах следует выделить курсы «Теоретическая механика», «Теория поля», «Квантовая механика», «Статистическая физика», «Уравнения математической физики», «Физика твёрдого тела», «Физика плазмы», «Твердотельная электроника», «Физическая наноэлектроника».

2) Профессиональный модуль, среди дисциплин которого как общие для нескольких направлений подготовки курсы «Теоретическая физика твёрдого тела», «Языки и методы программирования…», «Физика полупроводников», так и специализированные курсы, углубляющие знания в области приборов микро- и наноэлектроники: «Введение в современные нанотехнологии», «Физика полупроводников-электроника».

Перечень предприятий для прохождения практики и трудоустройства выпускников: Институт функциональной ядерной электроники НИЯУ МИФИ, Российские научные центры; предприятия Росатома; институты РАН.

Направление подготовки: 01.03.02 «Прикладная математика и информатика»

Наименование программы:  математическое моделирование в физике конденсированного состояния.

Цели программы: подготовка бакалавров для организаций, где нужны исследователи с фундаментальным физико-математическим образованием по физике конденсированных сред и навыками специалистов в области математического моделирования.

Сроки обучения при очной форме обучения:  4 года.

Выпускающая кафедра: Кафедра физики конденсированных сред (№ 67).

Область профессиональной деятельности: академические, научно-исследовательские и ведомственные организации, связанные с решением научных и технических задач; научно-исследовательские и вычислительные центры; научно-производственные объединения; образовательные организации среднего профессионального и высшего образования; государственные органы управления; организации Министерств Российской Федерации; организации различных форм собственности, индустрии и бизнеса, осуществляющие разработку и использование информационных систем, научных достижений, продуктов и сервисов в области прикладной математики и информатики.

Объекты профессиональной деятельности: математическое моделирование; математическая физика; обратные и некорректно поставленные задачи; численные методы; теория вероятностей и математическая статистика; исследование операций и системный анализ; оптимизация и оптимальное управление; дискретная математика; нелинейная динамика, информатика и управление; математические модели сложных систем: теория, алгоритмы, приложения; математические и компьютерные методы обработки изображений; математическое и информационное обеспечение экономической деятельности; математические методы и программное обеспечение защиты информации; математическое и программное обеспечение компьютерных сетей; информационные системы и их исследование методами математического прогнозирования и системного анализа; высокопроизводительные вычисления и технологии параллельного программирования; вычислительные нанотехнологии; интеллектуальные системы; программная инженерия; системное программирование; средства, технологии, ресурсы и сервисы электронного обучения и мобильного обучения; прикладные интернет-технологии; автоматизация научных исследований; языки программирования, алгоритмы, библиотеки и пакеты программ, продукты системного и прикладного программного обеспечения; системное и прикладное программное обеспечение; базы данных; системы управления предприятием; сетевые технологии.

Особенности учебного плана: Учебный план бакалаврской программы «Прикладная математика и информатика» делает упор на физико-математические дисциплины и развитие способностей слушателей в области информационных технологий.

Привлекательными сторонами программы является углубленное изучение теории в области математического моделирования, информационных технологий (языки программирования, базы данных, компьютерные сети и др.).

Учебный план включает две стадии: 1) базовая подготовка по гуманитарным, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам в течение двух лет; 2) основные специальные дисциплины направления (3 и 4 курсы).

Помимо основных специальных дисциплин по прикладной математике на 4 курсе бакалавриата преподаются специализированные авторские курсы по ряду направлений, углубляющие знания в области актуальных исследований: «Асимптотические методы», «Современные информационные технологии», «Взаимодействие излучения с веществом», «Физика полупроводников»,  «Перенос и рекомбинация носителей заряда в неупорядоченных органических материалах», «Моделирование физических процессов на ЭВМ», «Методы решения нелинейных уравнений в частных производных», «Физические основы наноэлектроники».

Перечень предприятий для прохождения практики и трудоустройства выпускников: Российские научные центры; предприятия Росатома; институты РАН, в частности: РНЦ Курчатовский институт, РФЯЦ-ВНИИЭФ, Центр Фотохимии РАН, ВНИИА им Н.Л. Духова

Направление подготовки: 14.03.02 «Ядерные физика и технологии»

Наименование программы:  Физика конденсированного состояния.

Цели программы: подготовка бакалавров для научных и отраслевых организаций, где нужны исследователи с фундаментальным физико-математическим, а также экспериментально- технологическим образованием по физике конденсированных сред.

Сроки обучения при очно-заочной форме обучения:  4 года.

Выпускающая кафедра: Кафедра Физики конденсированных сред (№ 67).

Область профессиональной деятельности: исследования, разработки и технологии, направленные на регистрацию и обработку информации, разработку теории, создание и применение установок и систем в области физики ядра, частиц, плазмы, конденсированного состояния вещества, физики разделения изотопных и молекулярных смесей, ионной физики, физики быстропротекающих процессов, радиационной медицинской физики, радиационного материаловедения, исследования неравновесных физических процессов, распространения и взаимодействия излучения с объектами живой и неживой природы, ядерно-физических установок, обеспечения ядерной, радиационной и промышленной безопасности, безопасности ядерных материалов, физической защиты и надежности ядерных и технически сложных объектов, систем контроля и автоматизированного управления ядерно-физическими и энергетическими установками.

Объекты профессиональной деятельности: газообразное и конденсированное состояние вещества, лазеры и их применения, ядерные реакторы, материалы ядерных реакторов, ядерные материалы и системы обеспечения их безопасности, ускорители заряженных частиц, современная электронная схемотехника, электронные системы ядерных и физических установок, системы автоматизированного управления ядерно-физическими установками, разработка ядерных и физических установок, технологии применения приборов и установок для регистрации излучений, разделения изотопных и молекулярных смесей, а также анализа веществ, радиационное воздействие ионизирующих излучений на человека и окружающую среду, радиационные технологии в медицине, наноматериалы и нанотехнологии, математические модели для теоретических, экспериментальных и прикладных исследований явлений и закономерностей в области физики ядра, частиц, плазмы, газообразного и конденсированного состояния вещества, ядерных реакторов, распространения и взаимодействия излучения с объектами живой и неживой природы, экологический мониторинг окружающей среды, обеспечение безопасности ядерных материалов, объектов и установок атомной промышленности и энергетики.

Особенности учебного плана: Учебный план включает две основные стадии:

1) Единая для факультета ЭТФ базовая подготовка по гуманитарным, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам в течение двух лет;

2) основные специальные дисциплины направления (3 и 4 курсы): «Теория поля», «Квантовая механика», «Статистическая физика», «Электродинамика сплошных сред», «Теоретическая физика твёрдого тела», «Физика полупроводников», «Экспериментальные методы физики твёрдого тела»,  «Введение в ядерную физику», «Физика плазмы», «Электротехника и электроника», «Уравнения математической физики», «Численные методы и математическое моделирование» и др.

Помимо основных специальных дисциплин на 4 курсе бакалавриата преподаются специализированные авторские курсы по ряду направлений, углубляющие знания в области физики и технологии нано- гетеросистем, а также численного моделирования: «Введение в современные нанотехнологии», «Физика наносистем», «Численные методы и математическое моделирование».

Перечень предприятий для прохождения практики и трудоустройства выпускников: Российские научные центры; предприятия Росатома; институты РАН.

Источник: http://kaf67.mephi.ru/obrazovatelnaya-programma/spetsialnost-yadernaya-fizkia-i-tekhnologiya

Физика конденсированных сред

Физика конденсированных сред

Физика конденсированных сред – одна из богатейших областей в современной физике с точки зрения математических моделей и формул.

Рисунок 1. Конденсированные среды. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Конденсированные среды с самыми разнообразными характеристиками встречаются абсолютно везде: кристаллы, обычные жидкости и аморфные тела, материалы с внутренней сложной структурой (к которым возможно отнести и мягкие конденсированные элементы), квантовые жидкости, спиновые постоянные цепочки, магнитные моменты, сложные пространства и так далее.

Часто свойства указанных веществ бывают настолько сложны и многогранны, что ученым приходится на начальном этапе рассматривать упрощенные математические варианты. В результате исследование точно решаемых уравнений конденсированных сред стал активным направлением в науке.

Движение каждой элементарной частицы в конденсированной среде находится в тесной взаимосвязи с движением соседей; следовательно, описывающие этот процесс формулы сильно «переплетены» между собой.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Среди классических разделов физики конденсированного состояния можно выделить следующие:

  • механика твёрдого тела;
  • теорию пластичности и трещин;
  • гидродинамику;
  • физику плазмы;
  • электродинамика сплошных сред.

Общим отправным пунктом в вышеперечисленных разделах считается понятие сплошной среды. Переход от конкретного набора отдельных частиц (ионов или атомов) к стабильному состоянию заключается в комплексном усреднении свойств концепции.

Основные области исследования

Рисунок 2. Физические формы конденсированных сред. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В основном различные физические формы делятся на три категории: газообразные, жидкие и твердые.

В этих трех состояниях вещества, предмет сгущенных исследований определяет прогресс на каждом этапе дисциплины наряду со всеми сферами человеческой жизни.

Из традиционных идеальных металлов, керамики и композиционных элементах происходит активное участие во всех структурах, которые предполагают излучение света и электричества.

Тепло и другие характеристики физических тел основаны на исследованиях физики конденсированных сред, которые непосредственно обеспечивает базу для многих отраслей высокой науки и нанотехнологии как таковой. На сегодняшний день реализация принципов данного научного направления находится на подъеме с разработками микроэлектроники, лазерной техники и оптических коммуникационных технологий.

Главные области физики конденсированных сред:

  • теория неупорядоченных систем;
  • нанотехнологии;
  • механика сплошных сред;
  • электродинамика сплошных сред;
  • строение твердого тела;
  • движение жидкостей;
  • конденсированное мягкое вещество;
  • квантовый эффект Холла;
  • сверхпроводимость тепла.

В физике конденсированных сред все элементы делятся на атомы с целью детализированного изучения различных структур. Эта область физики начала набирать популярность только в последние десятилетия.

Необходимо отметить значимость явления, которое происходит от изучения кристаллического твердотельного вещества во время его трансформации в жидкое состояние.

В этих двух долгосрочных экспериментах исследователям удалось построить некоторую уверенность, и постепенно ввести некоторые действующий способы для содействия дальнейшим научным исследованиям.

Квантовая теория конденсированных сред

Рисунок 3. Квантовая гипотеза. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Квантовая гипотеза позволила изобретателям не только объяснить атомные нюансы и спектры, но и разгадать многие сложные загадки в поведении твердых физических тел, прежде всего идеальных кристаллов.

Казалось бы, содержащий миллионы атомов кристалл изучать в миллионы раз труднее, чем отдельную элементарную частицу.

Однако задача не так уж и сложна, если взглянуть на нее с абсолютно другой точки зрения.

Определение 1

Структура любого кристалла весьма упорядочена — это обычная кристаллическая решётка.

Внутри его по каждой прямой линии через равные промежутки расположены одни и те же атомы (или молекулы и ионы). Кристалл оснащен уникальным свойством периодичности по любому рассматриваемому направлению.

Потому-то при исследовании кристаллов именно упорядоченность помогает в первую очередь, а не свойства отдельных элементов. Как и в гипотезе молекулярных спектров, здесь используют методы теоретических групп и их общих представлений. Если молекулу в кристалле сдвинуть, то мгновенно возникнет сила, которая в итоге оттолкнет его от соседних частиц и вернет в исходное положение.

Благодаря этому кристалл при любых условиях устойчив: его ионы и атомы могут испытывать только незначительные колебания относительно положения стабильности и равновесия. Другое дело — электроны самих атомов.

Определенная часть из них, которая расположена на низших энергетических ступенях, остается всегда в своем атоме.

Но элементы с верхних уровней довольно свободно движутся от одного атома к другому, принадлежат при этом всему кристаллу.

Замечание 2

Движение таких электронов характеризуется уже не столько особенностями отдельных частиц, сколько характеристиками кристаллической решётки.

Следовательно, кристалл можно рассматривать как совокупность двух физических подсистем. Первая из них — сама кристаллическая решетка в виде периодической структуры из молекул, которые лишены валентных элементов, а потому в любом положении положительно заряженная. Вторая — общность электронов в электрическом периодическом поле положительно заряженной решётки.

Любое внешнее влияние на кристалл (электрическое, механическое, магнитное, тепловое) приводит в результате к тому, что в одной из концепций хаотично распространяются волны — как от брошенного камня в воду. Свойство периодичности избавляет исследователей от необходимости исследовать в кристалле подобные колебания отдельных ионов.

Достаточно изучать волну в целом: согласно квантовой гипотезе, любому такому процессу соответствует частица — волновой квант; в теории твёрдого физического тела она носит название квазичастицей. Существует много видов квазичастиц.

Один из самых распространенных — кванты или фотоны упругих колебаний кристаллической решётки, которые несут ответственность за распространение тепла и звука в кристалле.

Замечание 3

Таким образом, можно констатировать, что квантовая теория — это уникальный научный инструмент, позволяющий быстро проводить количественное и качественное исследование физического вещества на любом уровне — от атомов до сплошных сред.

Перспективы развития физики конденсированных сред

Физика конденсированных сред на данный момент находится в самом ярком периоде собственного расцвета.

И, поскольку фундаментальные исследования в указанной области науки и практического использования технологии зачастую тесно взаимосвязаны между собой, результаты экспериментов представляет собой серию новых универсальных технологий, материалов и устройств, что в современном мире высоких технологий играет незаменимую ключевую роль.

В последние годы опыты в сфере физики конденсированных сред, способы и технологии изучения все более проникают в соседние дисциплины, связанные с развитием химических, биофизических и геофизических наук.

На сегодняшний день физика конденсированных тел активно развивается и внедряется во все области человеческой жизни.

Однако, поскольку это направление является источником квантовой теории и движений кристаллических твердых тел, то сегодня по-прежнему является основным объектом исследования структур сплошных пространств.

В конце концов, ученые сталкиваются с той же природы, в которой многие законы и явление универсальны. Именно через углубленное изучение возможно понять и осознать такие закономерности.

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

Booksm
Добавить комментарий