Festkörperphysikeigenschaften, Struktur, Beispiele

Der Festkörperphysik Es ist der Zweig der Physik, der sich mit dem Studium der Materie befasst, wenn sie sich in einem Zustand niedriger Energie befindet, genannt fester Zustand, Durch die Verwendung von physikalischen Theorien wie Quantenmechanik, statistischer Physik, Thermodynamik, Elektromagnetismus und Kristallographie.

Im festen Zustand ist die intermolekulare Anziehungsenergie geringer als die thermische Energie, daher können die Moleküle um mehr oder weniger feste Positionen kaum vibrieren. Einige Feststoffe sind auf molekularer Ebene amorph, während andere eine ordentlichere Struktur wie Kristalle haben.

Einige Beispiele für feste Materialien sind Silica -Sand, Glas, Graphit (Mineralkohle), gemeinsames Salz, raffinierter Zucker, Eisen, Kupfer, Magnetit, Quarz und viele weitere.

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Festkörpereigenschaften

Feste Materialien haben das Hauptmerkmal, dass sie unter normalen Bedingungen, wenn sie nicht großen externen Bemühungen ausgesetzt sind.

Dies steht im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die, obwohl sie ihr Volumen beibehalten können, ihre Form ändern, indem sie sich an den Behälter anpassen, der sie enthält. Der Kontrast ist bei Gasen noch größer, da diese durch Ändern ihres Volumens und ihrer Form komprimiert oder erweitert werden können.

Festkörper können jedoch ihr Volumen variieren, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt sind, die weit genug sind, um bemerkenswerte Auswirkungen zu haben, aber ohne Phasenübergang tritt ein anderer Materiezustand auf.

Festkörper können in seiner inneren molekularen Struktur amorph sein. Zum Beispiel ist Glas ein amorphes Material, das auch von vielen als eine überliebte Flüssigkeit angesehen wird. Quarz und Diamant haben jedoch eine kristalline Struktur, dh ihre Atome folgen regelmäßige und räumlich periodische Anordnungen.

Makroskopische und mikroskopische Eigenschaften

Festkörperphysik untersucht die Beziehung zwischen den Eigenschaften des makroskopischen Maßstabs (Tausende oder Millionen Mal höher im atomaren Maßstab) und den Eigenschaften im molekularen oder atomaren Maßstab.

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In einem Feststoff sind Atome sehr nahe beieinander und die Wechselwirkung zwischen ihnen bestimmt ihre Eigenschaften im Makro -Maßstab, wie z. B. ihre mechanischen Eigenschaften: Steifheit und Duktilität sowie ihre thermischen, magnetischen, optischen und Stromeigenschaften.

Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetisierung sind beispielsweise die makroskopischen Eigenschaften von Festkörpern, die direkt von dem abhängen, was auf molekularer oder atomarer Skala passiert.

Ein klares Beispiel für die Bedeutung solider Physik sind Halbleiter. Das Verständnis der Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene ermöglicht Geräten wie Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise und LED -Leuchten, um nur einige Anwendungen zu benennen.

Solide Struktur

Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen sowie den während ihrer Bildung folgenden Prozessen erwerben feste Materialien eine bestimmte mikroskopische Struktur.

Zum Beispiel bestehen Materialien, die so unterschiedlich wie Graphit und Diamant sind, nur aus Kohlenstoffatomen. Aber seine Eigenschaften sind völlig unterschiedlich, denn obwohl sie aus den gleichen Atomen bestehen, unterscheiden sich ihre mikroskopischen Strukturen stark.

Mikroskopische Struktur von Diamant und Graphit

Metallurgiespezialisten wissen, dass bei der gleichen Materie mit unterschiedlichen thermischen Behandlungen sehr unterschiedliche Ergebnisse bei der Ausarbeitung von Stücken wie Messer und Schwertern erzielt werden. Verschiedene Behandlungen führen zu unterschiedlichen mikroskopischen Strukturen.

Abhängig von ihrer Bildung können Feststoffe im Grunde genommen drei Arten von mikroskopischen Strukturen aufweisen:

• Amorph, Wenn die Anordnung von Atomen und Molekülen keine räumliche Regelmäßigkeit gibt.
• Monokristallin, Wenn Atome in räumlicher Reihenfolge angeordnet sind, formen Sie Anordnungen oder Zellen, die in den drei Dimensionen auf unbestimmte Zeit wiederholt werden.
• Polyristalin, Bestehend aus mehreren Regionen, nicht symmetrisch miteinander, wobei jede Region eine eigene monocystalline Struktur hat.

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Modelle der Physik des Feststoffs und seiner Eigenschaften

Die Physik des soliden Teils der Grundprinzipien zur Erklärung der Eigenschaften fester Materialien wie thermische Leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

Durch die Anwendung der kinetischen Theorie auf eine metallfreie Elektronen werden sie beispielsweise so behandelt, als wären sie ein Gas.

Unter der Annahme, dass Ionen ein bewegungsloses Substrat bilden, ist es möglich, sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die thermische Leitfähigkeit der Metalle zu erklären. Obwohl in der klassischen Version dieses Modells die thermische Leitfähigkeit freier Elektronen größer ist als die aus Messungen in leitenden Materialien erhalten.

Die Unannehmlichkeiten werden gelöst, indem Quantenkorrekturen in das freie Elektronenmodell eines festen Leiters eingeführt werden. Wenn sie Fermi-Dirac-Statistiken folgen sollen, stimmen theoretische Vorhersagen genauer mit experimentellen Messungen überein.

Das Modell freier Elektronen kann jedoch nicht die thermische Leitfähigkeit von Festkörpern erklären, die keine Metalle sind.

In diesem Fall muss die Wechselwirkung von Elektronen mit dem kristallinen Netzwerk berücksichtigt werden, was durch periodisches Potential in der Schrodinger -Gleichung modelliert wird. Dieses Modell sagt die Antriebsbänder voraus, die von der Elektronenenergie abhängen, und erklärt die elektrische Leitfähigkeit in Halbleiterfeststoffen, einer Art Zwischenkennzahl zwischen Isolator und leitender Metall.

Beispiele für Festzustand

Die Physik des Festkörperstaates hat sich bis zu dem Punkt entwickelt, der die Entdeckung neuer Materialien wie z Feste Nanomaterialien Mit einzigartigen und außergewöhnlichen Eigenschaften.

Ein weiterer Fall eines Beispiels bei der Weiterentwicklung solider Physik ist die Entwicklung von zwei dimensionalen oder monolayerischen Materialien, gefolgt von verschiedenen Anwendungen wie Photovoltaikzellen und der Entwicklung von Halbleiter integrierten Schaltungen.

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Das klassische Beispiel für zwei dimensionales Material ist das Graphen, Das ist nichts anderes als ein einzelner Cape -Graph, der 2004 erstmals erhalten wurde.

Andere Beispiele für zwei dimensionale Feststoffe sind: Phosphoreno, Plumben, Silicen und Germacene.

Hochtemperatur -Supraleiter

Levitation eines Magneten mittels einer Hochtemperatur -Keramik -Superkonferenz

Die Superkonditionivität wurde 1911 von den niederländischen Kamerlingh Onnes (1853-1926) entdeckt, als sie sich sehr niedrigen Temperaturen (in der Größenordnung der 4 K) leitfähigen Materialien wie Quecksilber, Zinn und Blei unterlegte.

Die Supraleitung hat wichtige technologische Anwendungen wie magnetische Levitationszüge, solange sie bei hohen Temperaturen erhalten werden kann (idealerweise bei Raumtemperatur).

Die Physik des Feststoffs ist auf der Suche nach Supraleitern, die durch hohe Temperatur über der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K) verstanden wird, eine relativ einfache und billige Temperatur, um zu erhalten. Bisher ist die Supraleiter mit höchster Temperatur ein Keramik -Feststoff, der diesen Zustand bei einer Temperatur von 138 K oder -135 ° C erreicht.

Stark korrelierte Feststoffe

Die stark korrelierten Feststoffe sind schwere fermionische Verbindungen mit ungewöhnlichen und großartigen technologischen Potentialeigenschaften. Zum Beispiel können sie manipuliert werden, um von Isolatoren zu Fahrern durch Magnetfelder zu wechseln.

Durch die Entwicklung dieser Art von Festkörpern wurde auch die Magnetspeichergeräte von Informationsgeräten in den letzten Jahrzehnten exponentiell erhöht.

Themen von Interesse

Beispiele für Feststoffe.

Verweise

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