Предмет и задачи физики твердого тела

Физика твердого тела - это наука о строении и свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях.

Физика твердого тела представляет собой один из важней­ших разделов современной науки. Благодаря успехам физики твердого тела стали возможны огромные достижения в областях квантовой электроники, полупроводниковой техники, создания материалов с уникальными физическими свойст­вами, определяющие в значительной степени важнейшие на­правления научно-технического прогресса. Неудивительно по­этому, что примерно половина всех физиков мира - исследова­телей и инженеров - занимаются теми или иными вопросами физики твердого тела.

Объектами исследования физики твердого тела являются твер­дые тела.

Предметом физики твердого тела является изучение состава твердых тел, их атомно-электронной структуры, установление зависимости между составом, структурой и различными физическими свойствами в первую очередь кристаллических материалов.

Физика твердого тела сводится, в сущности, к установлению связи между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемыми при объединении атомов или молекул в гигантские ассоциации в виде регулярно упорядоченных систем - кристаллов. Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические модели твердых тел. Строение реальных кристаллов и аморфных тел значительно сложнее, но эффективность и полезность простых моделей трудно переоценить.

В задачу физики твердого тела входит также изучение вопросов образования и роста кристаллов (кристаллизация) и их разрушения под влиянием различных факторов (плавления, сублимации, растворения и т.д.).

Одной из наиболее важных задач, стоящих перед учеными и специалистами, является задача созда­ния сверхматериалов с заданными свойствами, точного предска­зания их поведения в экстремальных условиях, установления ресурса работы материалов и т. д. Решение этой и других не менее важных задач невозможно без глубокого освоения и дальнейшего раз­вития физики твердого тела.

В программу нашего курса в соответствии со стандартом входят следующие вопросы:

1 Предмет и задачи физики твердого тела;

2 Кристаллическая структура твердых тел;

3 Электронная структура твердых тел;

4 Классификация кристаллов по типам сил связи;

5 Дефекты в кристаллах;

6 Механические свойства твердых тел;

7 Основы динамики кристаллической решетки;

8 Тепловые свойства твердых тел;

9 Элементы теории упругости;

10 Сверхпроводимость.

История развития

Физика твердого тела как наука родилась в начале XX века в связи с развитием атомной физики. Она занимается главным образом изучением кристаллических твердых тел и по­ведением электронов в этих телах. Сто лет назад кристаллы изучались только с точки зрения их внешней формы и симмет­ричных связей между различными коэффициентами, описываю­щими физические свойства кристаллов. После открытия ди­фракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчетами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов.

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны еще несколько тысячелетий назад. Кристаллом называли вначале только лед, а затем и кварц, считавшийся окаменевшим льдом. В конце эпохи средне­вековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, об­разующихся в природных или лабораторных условиях, натолк­нула ученых еще в семнадцатом веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента, так сказать, кирпичика. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элемен­тарные кирпичики. Сейчас мы знаем, что такими элементар­ными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кри­сталлы состоят из атомных рядов, периодически повторяющих­ся в пространстве и образующих кристаллическую решетку.

В восемнадцатом веке минералогами было сделано важное открытие. Оказалось, что индексы, определяющие положение в про­странстве любой грани кристалла, по сути целые числа. Гаюи показал, что это можно объяснить расположением иден­тичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в про­странстве. В 1824 г. Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы) являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным разно­весным состоянием системы идентичных атомов.

Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твердого тела является 8 июня 1912 г. В этот день в Баварской Ака­демии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лу­чей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных на­блюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В этой работой было показано, что рентгеновские лучи яв­ляются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из пе­риодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твердого тела, какой мы знаем ее сегодня. В годы, непосред­ственно следующие за 1912 годом, в физике твердого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристалли­ческими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 г. с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI.

Лекция 2