Vlastnosti fyziky v tuhom stave, štruktúra, príklady

Ten Fyzika v tuhom stave Je to odvetvie fyziky, ktorá sa zaoberá štúdiom hmoty, keď je v stave nízkej energie, ktorá sa nazýva pevné skupenstvo, Použitím fyzikálnych teórií, ako je kvantová mechanika, štatistická fyzika, termodynamika, elektromagnetizmus a kryštalografia.

V tuhom stave je energia medzimolekulárnej príťažlivosti menšia ako tepelná energia, preto molekuly môžu sotva vibrovať okolo viac alebo menej pevných polohy. Niektoré pevné látky sú amorfné na molekulárnej úrovni, zatiaľ čo iné majú riadnejšiu štruktúru, napríklad kryštály.

Niektoré príklady tuhých materiálov sú kremičitý piesok, sklo, grafit (minerálne uhlie), bežná soľ, rafinovaný cukor, železo, meď, magnetit, kremeň a mnoho ďalších.

[TOC]

Charakteristika tuhého stavu

Pevné materiály majú hlavnú charakteristiku, že za normálnych podmienok to znamená, že ak nepodliehajú veľkému vonkajšiemu úsiliu, udržiavajú svoj objem a tvar.

To je v rozpore s tekutkami, ktoré, hoci si môžu zachovať svoj objem, zmeniť svoj tvar prispôsobením sa nádobe, ktorý ich obsahuje. Kontrast je ešte väčší pri plynoch, pretože tieto môžu byť stlačené alebo rozšírené zmenou objemu a tvaru.

Pevné látky však môžu meniť svoj objem, keď sú vystavené zmenám teploty dostatočne široké na to, aby mali významné účinky, ale bez fázového prechodu sa vyskytuje do iného stavu hmoty.

Tuhé látky môžu byť amorfné vo svojej vnútornej molekulárnej štruktúre. Napríklad sklo je amorfný materiál, ktorý mnohí dokonca považujú za nadmerne inflexovanú tekutinu. Kremeň a diamant však majú kryštalickú štruktúru, to znamená, že ich atómy sledujú pravidelné a priestorovo periodické usporiadanie.

Makroskopické a mikroskopické vlastnosti

Fyzika tuhého stavu študuje vzťah medzi vlastnosťami makroskopického stupnice (tisíce alebo milióny krát vyšších v atómovej stupnici) a vlastnosťami v molekulárnej alebo atómovej mierke.

Môže vám slúžiť: magnetická priepustnosť: konštantná a tabuľka

V pevnej látke sú atómy veľmi blízko seba a interakcia medzi nimi určuje ich vlastnosti v makro stupnici, ako sú ich mechanické vlastnosti: tuhosť a ťažnosť a tiež ich tepelné, magnetické, optické a elektrické vlastnosti.

Napríklad vodivosť, tepelná kapacita a magnetizácia sú makroskopické vlastnosti tuhých látok, ktoré závisia priamo od toho, čo sa deje v molekulárnej alebo atómovej stupnici.

Jasným príkladom dôležitosti solídnej fyziky sú polovodiče. Pochopenie svojich vlastností na mikroskopickej úrovni umožňuje zariadenia, ako sú tranzistory, diódy, integrované obvody a LED svetlá, len aby sme vymenovali niekoľko aplikácií.

Pevná štruktúra

V závislosti od podmienok tlaku a teploty, ako aj od procesov sledovaných počas ich tvorby, tuhé materiály získavajú určitú mikroskopickú štruktúru.

Napríklad materiály, ktoré sú odlišné ako grafit a diamant, sa skladajú iba z atómov uhlíka. Ale jeho vlastnosti sú úplne odlišné, pretože napriek tomu, že sa skladajú z rovnakého typu atómov, ich mikroskopické štruktúry sa veľmi líšia.

Mikroskopická štruktúra diamantu a grafitu

Špecialisti na metalurgiu vedia, že na základe toho istého materiálu s rôznymi tepelnými ošetreniami sa pri vypracovaní kusov, ako sú nože a meče, získajú veľmi odlišné výsledky, ako sú nože a meče. Rôzne ošetrenia vedú k rôznym mikroskopickým štruktúram.

V závislosti od ich tvorby môžu tuhé látky v podstate prezentovať tri typy mikroskopických štruktúr:

• Amorfný, Ak v usporiadaní atómov a molekúl nie je priestorová pravidelnosť.
• Monokryštalický, Ak sú atómy usporiadané v priestorovom poradí, formovanie usporiadania alebo buniek, ktoré sa opakujú neurčito v troch rozmeroch.
• Polyristalín, Zložené z niekoľkých regiónov, nie sú navzájom symetrické, kde má každý región svoju vlastnú monocystalinnú štruktúru.

Môže vám slúžiť: Ceded Heat: Vzorce, ako ho vypočítať a vyriešiť cvičenia

Modely fyziky tuhej látky a jej vlastností

Fyzika pevnej časti základných princípov na vysvetlenie vlastností tuhých materiálov, ako je tepelná vodivosť a elektrická vodivosť.

Napríklad použitím kinetickej teórie na kovové elektróny sú ošetrené, akoby to bol plyn.

A za predpokladu, že ióny tvoria nehybný substrát, je možné vysvetliť elektrickú vodivosť a tepelnú vodivosť kovov. Aj keď v klasickej verzii tohto modelu je tepelná vodivosť voľných elektrónov väčšia ako z meraní vo vodivých materiáloch.

Nepríjemnosti sa vyrieši zavedením kvantových korekcií do modelu voľného elektrónu solídneho vodiča. Okrem toho, ak majú nasledovať štatistiku Fermi-Dirac, potom sa teoretické predpovede presnejšie zhodujú s experimentálnymi meraniami.

Model voľných elektrónov však nemôže vysvetliť tepelnú vodivosť tuhých látok, ktoré nie sú kovmi.

V tomto prípade sa musí zohľadniť interakcia elektrónov s kryštalickou sieťou, ktorá je modelovaná periodickým potenciálom v Schrodingerovej rovnici. Tento model predpovedá hnacie pásma v závislosti od energie elektrónov a vysvetľuje elektrickú vodivosť v polovodičových tuhých látkach, typ medziproduktu medzi izolátorom a vodivým kovom.

Príklady tuhého stavu

Fyzika tuhého stavu sa vyvinula do bodu, ktorý umožnil objavenie nových materiálov ako napríklad pevné nanomateriály S jedinečnými a mimoriadnymi vlastnosťami.

Ďalším príkladom rozvoja solídnej fyziky je vývoj dvoch -dimenzionálnych alebo monovrstvových materiálov, po ktorých nasledujú rôzne aplikácie, ako sú fotovoltaické bunky a vývoj polovodičových integrovaných obvodov.

Môže vám slúžiť: hmotnosť (fyzická): výpočet, jednotky, príklady, cvičenia Grafén nanotubus

Klasickým príkladom dvojrozmerného materiálu je Grafén, čo nie je nič iné ako jeden Cape Grap a ktorý bol prvýkrát získaný v roku 2004.

Ďalšími príkladmi dvoch dimenzionálnych tuhých látok sú: fosforeno, inštalatér, kremičitý a gemaceén.

Supravodičné supravoduktory s vysokou teplotou

Levitácia magnetu pomocou vysokoteplotného keramického supravodiča

Suppravodivosť objavila v roku 1911 holandský Kamerlingh Onnes (1853-1926), keď sa podrobil veľmi nízkym teplotám (rádom 4 k) vodivých materiálov, ako sú ortuť, cín a olovo.

Supravodivosť má dôležité technologické aplikácie, ako sú magnetické levitačné vlaky, pokiaľ sa dajú získať pri vysokých teplotách (ideálne pri teplote miestnosti).

Fyzika tuhej látky je v tomto hľadaní supravodičov, ktorá sa chápe vysokou teplotou nad teplotou kvapalného dusíka (77 K), čo je relatívne ľahká a lacná teplota na získanie. K dnešnému dňu je supravodivom s najvyššou teplotou keramická tuhá látka, ktorá dosahuje tento stav pri teplote 138 K alebo -135 ° C.

Silne korelované tuhé látky

Silne korelované tuhé látky sú ťažké fermionické zlúčeniny, ktoré majú neobvyklé a veľké technologické potenciálne vlastnosti. Napríklad môžu byť manipulované, aby sa presunuli z izolátorov k vodičom cez magnetické polia.

Vývoj tohto typu tuhých látok tiež umožnil magnetickým ukladaním informácií v posledných desaťročiach exponenciálne zvýšiť svoju kapacitu.

Záujmové témy

Príklady pevných látok.

Odkazy

1. Martin, Joseph D. 2015. „Čo je v mene zmeny? Fyzika tuhého štátu, fyzika kondenzovaných látok a veda o materiáloch “(PDF). Fyzika v perspektíve. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. Devätnásť deväťdesiatpäť. Úvod do fyziky tuhého štátu. Redaktor.
3. Ashcroft a Mermin. 1976. Fyzika v tuhom stave. SAUNDERS COLLEGE.
4. Sheng s. Li. 2000. Fyzická elektronika. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Fyzika v tuhom stave. Obnovené z: je.Wikipedia.com