Физика твердого тела – обширный раздел науки, который изучает свойства и структуру материальных тел.
Рисунок 1. Свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Научные сведения о микроструктуре физических веществ и о химических свойствах составляющих их молекул крайне необходимы для создания новых материалов и технических приборов.
Физика твердого тела представляет собой фундамент, на котором базируется практически все современное технологическое общество. В целом, многомиллионная армия инженеров трудится над наилучшим применением на практике твердых материалов при моделировании и производстве самых различных инструментов, электронных и механических компонентов, станков, которые нужны в тех сферах, как транспорт, связь, компьютерное оборудование, а также фундаментальные эксперименты.
Научного сотрудника, которые работает в области физики твердого тела, прежде всего интересуют такие физические материалы, как сплавы и металлы, диэлектрики, полупроводники, магнитные элементы. Многие из них непосредственно относятся к кристаллическим частицам: их атомы движутся так, что формируют трехмерную правильную решетку – периодическую структуру. Нарушения идеальной концепции в основном обусловливается химическими различными примесями, незаполненными атомными узлами, молекулами внедрения (в промежутках между активными узлами), а также хаотичными дислокациями. Во многих случаях аналогичными отклонениями от строгой периодичности преимущественно определяются итоговые физические свойства кристаллических материальных тел.
Свойства и структура твердых тел
К физическим основным свойствам твердых тел относятся следующие:
- тепловые;
- механические;
- электрические;
- магнитные;
- оптические.
Указанные характеристики наблюдают, исследуют и рассматривают изменение температуры, объема или давления, в условиях механических внутреннего напряжений, магнитных и электрических полей, температурных постоянных градиентов, а также под влиянием различных свето-излучений –рентгеновских лучей, пучков нейтронов и электронов.
Существенная часть лабораторного оборудования, которая крайне необходима для изучения свойств физических тел, включает в себя твердотельные устройства.
Химические особенности твердых веществ особенно значимы при исследовании поверхностных эффектов и процессов. Абсолютное любое твердое тело состоит из молекул и атомов. Само его существование напрямую указывает на наличие внутренних сил притяжения, которое связывает частицы воедино, и сил отталкивания, без которых между элементами не возникло бы промежутков. В итоге таких взаимодействий атомы веществ постепенно теряют собственные индивидуальные свойства, и именно этим определяются новые, коллективные характеристики концепций молекул.
Свободный атом включает в свою структуру положительно заряженное ядро и определенное количество отрицательно заряженных электронов, масса которых гораздо меньше объема самого ядра. Известные всем кулоновские силы, которые функционируют между заряженными элементами, формируют притяжение между электронами и ядром, а также взаимное и систематическое отталкивание между движущимися электронами. Поэтому твердое вещество можно рассматривать как состоящее из концепции взаимно отталкивающихся частиц, которые в результате притягиваются друг к другу. Физические особенности такого объекта в основном определяются двумя фундаментальными физическими гипотезами – квантовой и статистической механикой.
Симметрия и классификация твердых тел
Рисунок 2. Кристаллография и кристаллофизика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Кристаллографией называется раздел науки, описывающий геометрические свойства твердых тел и кристаллов, а также их классификацию на базе определения симметрии.
Следовательно, исследование кристаллической структуры любого предмета лежит в основе физики твердого тела. Классификация кристаллов и решеток на основе понятия симметрии требует обязательного соблюдения строгих определений. Операцией симметрии считается такая система, которая образовалась под воздействием вещества и оставляет все его элементы неизменными. Тогда такой объект называется инвариантным относительно данной операции.
Существуют и иные операции симметрии для формирования пространственной решетки, а именно те, при которых материальная точка остается при любых обстоятельствах фиксированной (неподвижной). Аналогичные явления называются точечными и предполагают вращения вокруг векторов, проходящих через определенную линию, а также зеркальные отражения в средах, которые находятся в этой точке.
Хотя кристаллография сама по себе считается достаточно абстрактной областью науки, симметрия играет значимую роль при объяснении и описании физических характеристик твердых тел.
Например, трансляционная симметрия идеальных кристаллов позволила ученым развить весьма обобщенные теории, которые рассматривают распространение магнитных волн в элементах, в том числе упругих волн, непосредственно связанных с движением электронов.
Кристаллическая решетка
Рисунок 3. Кристаллическая решетка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Практически все свойства твердых рабочих тел возможно объяснить тем, что большинство из них обладает кристаллической структурой, которая характеризуется закономерной периодичностью распределения частиц из одного или группы ионов в среде на микроскопическом уровне. Поэтому введено такое определение как кристаллическая решетка. Повторяющаяся группа атомов в виде узлов решетки формирует базис.
Кристаллическая решетка – это совокупность важных геометрических точек, которые представляют собой центры физических базисов.
Упорядоченность и стабильность во взаимном расположении молекул в рабочих телах может быть обусловлена наличием ближнего и дальнего порядка, который связан с взаимодействием между элементами. Такой эффект носит название ближнего порядка, а упорядоченность, повторяющаяся на больших расстояниях – дальнего порядка.
В кристаллической периодической решетке возможно выделить определенную примитивную ячейку, повторяющуюся периодически по всему идеальному кристаллу. Выделяя такой объект, удается точно описать расположения атомов и ионов в материальном веществе и, следовательно, посредством данного механизма охарактеризовать общую структуру кристаллов. Каждую элементарную ячейку задают с помощью трех осей, называемых векторами физической трансляции, которые могут иметь различную длину. Трансляционное повторение таких эффектов в пространстве помогает получить решетки Бравэ. Решетка Бравэ представляет собой бесконечную периодическую структуру, обладающую одинаковым пространственным порядком и ориентацию независимо от того, какой узел был принят за начало отсчета. Одной из самых простых объемных решеток считается обычная кубическая решетка. Для изучения симметрии кристаллической решетки используют определения изменения симметрии.
Преобразованием симметрии также называется обобщенное хаотичное движение, которое в итоге совмещает фигуру саму с собой, оставив ее структуру инвариантной. Из него вытекает понятие элементов симметрии (плоскости, оси, центры системы), набор которых создает трансляционные и точечные группы симметрии.
Всего выделяют семь сингоний:
- моноклинная;
- триклинная;
- ромбическая;
- тетрагональная;
- тригональная;
- гексагональная;
- кубическая.
В зависимости от начального порядка векторов симметрии сингонии объединяются в определенные категории. Таким образом, если подвергнуть решетки Бравэ изменениям симметрии, то можно получить все необходимые кристаллические структуры. Рассмотренные выше классификации кристаллической структуры и физического тела приняты в гипотезе групп, позволяющей с математической точки зрения описать симметрию абсолютно любого кристалла.
