The fyzika pevných látek je obor fyziky, který se zabývá studiem hmoty, když je v nízkoenergetickém stavu, tzv pevné skupenství, využitím fyzikálních teorií, jako je kvantová mechanika, statistická fyzika, termodynamika, elektromagnetismus a krystalografie.
V pevném stavu je energie mezimolekulárního přitahování menší než energie tepelná, proto molekuly mohou těžko vibrovat kolem více či méně pevných poloh. Některé pevné látky jsou amorfní na molekulární úrovni, zatímco jiné mají uspořádanější strukturu, například krystaly..
Některé příklady pevných materiálů jsou křemičitý písek, sklo, grafit (minerální uhlí), kuchyňská sůl, rafinovaný cukr, železo, měď, magnetit, křemen a mnoho dalších.
Rejstřík článků
Pevné materiály mají hlavní charakteristiku, že za normálních podmínek, to znamená, že pokud nejsou vystaveny velkým vnějším napětím, udržují si svůj objem a tvar..
To je na rozdíl od kapalin, které, i když si mohou udržet svůj objem, mění svůj tvar přizpůsobením nádobě, která je obsahuje. Kontrast je ještě větší u plynů, protože je lze komprimovat nebo expandovat změnou jejich objemu a tvaru..
Pevné látky však mohou měnit svůj objem, když jsou vystaveny změnám teploty dostatečně širokým, aby měly pozoruhodné účinky, ale bez fázového přechodu do jiného stavu hmoty..
Pevné látky mohou být ve své vnitřní molekulární struktuře amorfní. Například sklo je amorfní materiál, který je dokonce mnohými považován za podchlazenou kapalinu. Křemen a diamant však mají krystalickou strukturu, to znamená, že jejich atomy se řídí pravidelným a prostorově periodickým uspořádáním..
Fyzika pevných látek studuje vztah mezi vlastnostmi v makroskopickém měřítku (tisíce nebo milionkrát většími než atomové měřítko) a vlastnostmi v molekulárním nebo atomovém měřítku..
V pevné látce jsou atomy velmi blízko u sebe a interakce mezi nimi určuje jejich vlastnosti v makro měřítku, například jejich mechanické vlastnosti: tuhost a tažnost, jakož i jejich tepelné, magnetické, optické a elektrické vlastnosti..
Například vodivost, tepelná kapacita a magnetizace jsou makroskopické vlastnosti pevných látek, které přímo závisí na tom, co se děje v molekulárním nebo atomovém měřítku..
Jasným příkladem důležitosti fyziky pevných látek jsou polovodiče. Porozumění jejich vlastnostem na mikroskopické úrovni umožňuje vývoj zařízení, jako jsou tranzistory, diody, integrované obvody a LED, abychom jmenovali jen několik aplikací..
V závislosti na tlakových a teplotních podmínkách, jakož i na procesech, které následují při jejich tvorbě, získávají pevné materiály určitou mikroskopickou strukturu..
Například materiály, které se nepodobají grafitu a diamantu, jsou složeny pouze z atomů uhlíku. Ale jejich vlastnosti jsou zcela odlišné, protože i když jsou složeny ze stejného typu atomů, jejich mikroskopické struktury se enormně liší..
Specialisté na metalurgii vědí, že počínaje stejným materiálem a různými tepelnými úpravami se při výrobě kusů, jako jsou nože a meče, získávají velmi odlišné výsledky. Různé způsoby léčby vedou k různým mikroskopickým strukturám.
V závislosti na jejich vzniku mohou pevné látky v zásadě představovat tři typy mikroskopických struktur:
Fyzika pevných látek je založena na základních principech vysvětlujících vlastnosti pevných materiálů, jako je tepelná vodivost a elektrická vodivost..
Například uplatněním kinetické teorie na volné elektrony v kovu se s nimi zachází jako s plynem..
A za předpokladu, že ionty tvoří nepohyblivý substrát, je možné vysvětlit elektrickou vodivost i tepelnou vodivost kovů. I když v klasické verzi tohoto modelu je tepelná vodivost volných elektronů větší než tepelná vodivost získaná z měření ve vodivých materiálech..
Nevýhoda je řešena zavedením kvantových korekcí do modelu volných elektronů vodivé pevné látky. Kromě toho, pokud se předpokládá, že sledují statistiku Fermi-Dirac, pak teoretické předpovědi přesněji souhlasí s experimentálními měřeními..
Model volných elektronů však nedokáže vysvětlit tepelnou vodivost pevných látek jiných než kovy..
V tomto případě je třeba vzít v úvahu interakci elektronů s krystalovou mřížkou, která je modelována periodickým potenciálem v Schrodingerově rovnici. Tento model předpovídá energeticky závislá vodivá pásma elektronů a vysvětluje elektrickou vodivost v polovodičových pevných látkách, což je typ pevné látky mezi izolantem a vodivým kovem..
Fyzika pevných látek se vyvinula do té míry, že umožnila objev nových materiálů, jako jsou pevné nanomateriály s jedinečnými a mimořádnými vlastnostmi.
Dalším příkladem pokroku ve fyzice pevných látek je vývoj dvourozměrných nebo jednovrstvých materiálů, následovaný různými aplikacemi, jako jsou fotovoltaické články a vývoj polovodičových integrovaných obvodů..
Klasickým příkladem dvourozměrného materiálu je grafen, což není nic jiného než jednovrstvý grafit a který byl poprvé získán v roce 2004.
Dalšími příklady dvojrozměrných pevných látek jsou: fosforen, olovo, silicen a germacen.
Supravodivost objevil v roce 1911 Holanďan Kamerlingh Onnes (1853-1926), když podrobil vodivé materiály, jako je rtuť, cín, a vedl k velmi nízkým teplotám (řádově 4K)..
Supravodivost má důležité technologické aplikace, jako jsou vlaky magnetické levitace, pokud ji lze získat při zvýšených teplotách (ideálně při pokojové teplotě).
Fyzika pevných látek je v tomto hledání supravodičů, což znamená vysokou teplotu nad teplotou kapalného dusíku (77 K), což je relativně snadná a levná teplota. Doposud je nejvyšší teplotou supravodič keramická pevná látka, která tohoto stavu dosáhne při teplotě 138 K nebo -135 ° C..
Silně korelované pevné látky jsou těžké fermionové sloučeniny, které mají neobvyklé vlastnosti a velký technologický potenciál. Lze je například manipulovat tak, aby procházely od izolátorů k vodičům prostřednictvím magnetických polí.
Vývoj tohoto typu pevných látek také umožnil zařízením pro ukládání magnetických informací exponenciálně zvýšit jejich kapacitu v posledních desetiletích..
Příklady pevných látek.
Zatím žádné komentáře