ВВЕДЕНИЕ
Воронова Т.С.
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
по дисциплине
«ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ»
для студентов дневной и заочной форм обучения
направления 210100 «Электроника и наноэлектроника»
Ангарск 2014
ВВЕДЕНИЕ
Физика конденсированного состояния - большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем (то есть систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью.
Все процессы образования Вселенной, Земли и возникновения жизни связаны с переходом материи в конденсированное состояние. Поэтому наиболее распространенной формой существования материи на Земле является конденсированное состояние вещества.
Известно, что вещества в природе могут находиться в четырех агрегатных состояниях, а именно: в твердом, жидком, газообразном и плазменном. Два из этих состояний, жидкое и твердое, называются конденсированными. В этих состояниях возникают ансамбли сильно взаимодействующих частиц, а именно: атомов, ядер, электронов. При этом силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, поэтому конденсированные вещества создают большое сопротивление к изменению объема. Те из них, которые оказывают сопротивление изменению формы, называют твердыми телами. Но ощутимой границы между твердыми телами и жидкостями не существует, на их границе имеются, так называемые, аморфные тела. Таким образом, к веществам, находящимся в конденсированном состоянии, относятся твердые тела, жидкости, жидкие кристаллы, полимеры, биологические структуры и живая материя
Главная особенность аморфных тел (смол, стекол, шлаков и т.д.) это отсутствие дальнего порядка во взаимном расположении атомов, т.е. строгой повторяемости одного и того же элемента структуры во всех направлениях. В аморфных телах наблюдается ближний порядок. Эта определенная согласованность расположения ближних частиц при увеличении расстояния быстро уменьшается. Отсутствие дальнего порядка - непосредственная причина полной изотропности физических свойств и отсутствия определенной точки плавления аморфных тел.
| Время |
| ТПЛ. |
| Кристалл |
| Аморфное тело |
Рисунок 1.1
Существенной характеристикой кристаллического тела является упорядоченная периодическая внутренняя структура, простирающаяся в трех направлениях, т.е. дальний порядок. Результат этой структуры - внешняя симметрия кристаллов.
Кристаллы анизотропны: их физические свойства (тепло-, электропроводность, оптические свойства, модули упругости и т.д.) меняются в зависимости от направления. Можно отметить особые кристаллографические направления и плоскости, в которых физические свойства кристаллов оказываются вполне определенными. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллов, а только у монокристаллов.
Большинство кристаллических тел, например металлы, являются поликристаллическими. Они представляют собой множество сросшихся мелких кристаллических зерен. Внутри зерна сохраняются неизменными направления кристаллографических осей. В поликристаллах одинаковые кристаллографические направления отдельных кристалликов оказываются повернутыми относительно друг друга на всевозможные углы. Если в ориентации зерен нет никакого порядка, то такое кристаллическое тело будет изотропным. Если же будет наблюдаться какой-то порядок (а он может возникнуть при таких методах обработки металла, как прокатка, протяжка, волочение), то этот материал называется текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.
В ряде случаев дальний порядок наблюдается и в жидкой фазе. Это так называемое жидкокристаллическое состояние. В жидких кристаллах наблюдается одноосный дальний порядок: дальний порядок наблюдается только по одному направлению, а по другим перпендикулярным направлениям дальнего порядка нет (органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму или форму пластин) .
Термином"твердое тело" мы определим тела, обладающие кристаллической структурой. Следовательно, все аморфные тела, в которых наблюдается типичный для жидкости беспорядок в расположении атомов, не относятся к твердым телам. Их часто относят к сильно охлажденным и очень вязким жидкостям.
Твердые тела можно разделить на группы, основанные на типах связи между кристаллами. Согласно этой классификации все твердые тела условно можно разделить на металлы, ионные кристаллы, валентные кристаллы, молекулярные кристаллы, кристаллы с водородной связью. Различия между этими группами кристаллов не всегда достаточно четко выражены, поэтому, указанный способ классификации может служить для приближенного объединения кристаллов в группы. Например, полупроводники могут относиться и к ионным, и к валентным, и к молекулярным кристаллам.