Պինդ մարմնի ֆիզիկա

Պինդ մարմնի ֆիզիկա, պինդ նյութի կամ պինդ մարմինների ուսումնասիրությունն է այնպիսի մեթոդների միջոցով, ինչպիսիք են քվանտային մեխանիկան, բյուրեղագրությունը, էլեկտրամագնիսականությունը և մետալուրգիան։ Այն խտացված նյութի ֆիզիկայի ամենամեծ ճյուղն է։ Պինդ մարմնի ֆիզիկան ուսումնասիրում է, թե ինչպես են պինդ նյութերի մակրոհատկությունները բխում դրանց ատոմային մասշտաբի հատկություններից(միկրոհատկություններից)։ Այսպիսով, պինդ մարմնի ֆիզիկան կազմում է նյութագիտության տեսական հիմքը։ Այն ունի նաև անմիջական կիրառություն, օրինակ տրանզիստորների և կիսահաղորդիչների տեխնոլոգիայի մեջ։

Նախապատմություն 
Պինդ նյութերը ձևավորվում են խիտ դասավորված ատոմներից, որոնք ինտենսիվ փոխազդում են։ Այս փոխազդեցությունները առաջացնում են պինդ մարմինների մեխանիկական (օրինակ՝ կարծրություն և առաձգականություն), ջերմային, էլեկտրական, մագնիսական և օպտիկական հատկություններ։ Կախված նյութից և այն ձևավորող պայմաններից՝ ատոմները կարող են դասավորվել կանոնավոր, երկրաչափական ձևով (բյուրեղային պինդ մարմիններ, որոնք ներառում են մետաղները և սովորական սառույցը) կամ անկանոն (ամորֆ պինդ, օրինակ՝ սովորական պատուհանի ապակին)։

Պինդ մարմնի ֆիզիկայի հիմնական մասը, որպես ընդհանուր տեսություն, կենտրոնացած է բյուրեղների վրա։ Հիմնականում դա պայմանավորված է նրանով, որ բյուրեղում ատոմների պարբերականությունը՝ նրա որոշիչ բնութագիրը, հեշտացնում է մաթեմատիկական մոդելավորումը։ Նաև բյուրեղային նյութերը ունեն էլեկտրական, մագնիսական, օպտիկական կամ մեխանիկական հատկություններ, որոնք կարող են օգտագործվել ինժեներական նպատակներով։

Բյուրեղի ատոմների միջև եղած ուժերը կարող են տարբեր լինել։ Օրինակ՝ նատրիումի քլորիդի (կերակրի աղ)  բյուրեղը կազմված է  նատրիումի  և քլորի իոններից և պահվում է իոնային կապերով։ Մյուսներում ատոմները կիսում են էլեկտրոնները և ձևավորում կովալենտային կապեր։ Մետաղներում էլեկտրոնները տարածվում են ամբողջ բյուրեղի մեջ մետաղական կապով։ Ի վերջո, ազնիվ գազերը չեն ենթարկվում այս տեսակի կապի։ Պինդ ձևով ազնիվ գազերը պահվում են Վան Դեր Վալսի ուժերով, որոնք առաջանում են յուրաքանչյուր ատոմի վրա էլեկտրոնային ամպի բևեռացման արդյունքում։ Պինդ մարմիննների տեսակների տարբերությունները պայմանավորված են դրանց կապերի տարբերություններով։

Պատմություն
Պինդ մարմինների ֆիզիկական հատկությունները դարեր շարունակ եղել են գիտական ​​ընդհանուր ուսումնասիրության առարկաներ, սակայն պինդ մարմնի ֆիզիկա (ՊՄՖ ) անվանումով առանձին ոլորտ առաջացել է միայն 1940-ական թվականներին, մասնավորապես՝ Պինդ մարմնի ֆիզիկայի բաժնի  ստեղծմամբ Ամերիկյան ֆիզիկական միության() շրջանակներում։ ՊՄՖ-ն սպասարկում էր արդյունաբերական ֆիզիկոսներին, և պինդ մարմնի ֆիզիկան ասոցացվում էր տեխնոլոգիական կիրառությունների հետ, որոնք հնարավոր դարձան պինդ մարմինների հետազոտությունների արդյունքում։ 1960-ականների սկզբին ՊՄՖ-ն Ամերիկյան ֆիզիկական միության ամենամեծ բաժինն էր։

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո Եվրոպայում, մասնավորապես, Անգլիայում, Գերմանիայում և Խորհրդային Միությունում ևս ի հայտ եկան պինդ մարմնի ֆիզիկոսների մեծ համայնքներ։ Միացյալ Նահանգներում և Եվրոպայում պինդ մարմնի ֆիզիկան դարձավ նշանավոր  կիսահաղորդիչների, գերհաղորդականության, միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի և տարբեր այլ երևույթների ուսումնասիրությունների շնորհիվ։  Սառը պատերազմի վաղ տարիներին պինդ մարմնի ֆիզիկայի հետազոտությունը հաճախ չէր սահմանափակվում պինդ մարմիններով, ինչը որոշ ֆիզիկոսների ստիպեց 1970-ական և 1980-ականներին հիմնել խտացված նյութի ֆիզիկայի ոլորտը, որը հիմնված է պինդ մարմինների, հեղուկների, պլազմայի և մատերիայի այլ վիճակների հետազոտման համար օգտագործվող ուսումնասիրությունների շուրջ։ Այսօր պինդ մարմնի ֆիզիկան լայնորեն համարվում է խտացված նյութի ֆիզիկայի ենթաոլորտ, նաև անվանվում է պինդ խտացված նյութ, որը կենտրոնանում է կանոնավոր բյուրեղային ցանցերով պինդ մարմինների հատկությունների վրա։

Բյուրեղների կառուցվածքը և հատկությունները 

Նյութերի շատ հատկությունների վրա ազդում է դրանց բյուրեղային կառուցվածքը։ Այս կառուցվածքը կարելի է ուսումնասիրել՝ օգտագործելով բյուրեղագրական մի շարք հնարքներ, ներառյալ ռենտգենյան բյուրեղագրությունը, նեյտրոնների դիֆրակցիան և էլեկտրոնային դիֆրակցիան։

Բյուրեղային պինդ նյութում առանձին բյուրեղների չափերը տարբեր են՝ կախված ներգրավված նյութից և դրա ձևավորման պայմաններից։ Բյուրեղային նյութերի մեծ մասը, որոնք հանդիպում են առօրյա կյանքում, բազմաբյուրեղ են, առանձին բյուրեղներն իրենց մասշտաբով մանրադիտակային են, սակայն մակրոսկոպիկ միաբյուրեղներ կարող են արտադրվել ինչպես բնական ճանապարհով (օրինակ՝ ադամանդներ) այնպես էլ արհեստական ​​ճանապարհով։

Իրական բյուրեղները ունենում են իդեալական դասավորության թերություններ կամ անկանոնություններ, և հենց այդ թերություններն են, որոնք հիմնականում որոշում են իրական նյութերի էլեկտրական և մեխանիկական հատկություններից շատերը։

Էլեկտրական հատկություններ 
Նյութերի հատկությունները, ինչպիսիք են էլեկտրահաղորդականությունը և ջերմունակությունը, ուսումնասիրվում են պինդ մարմնի ֆիզիկայի կողմից։ Էլեկտրահաղորդման վաղ մոդելը Դրուդի մոդելն էր, որը կիրառում էր Մոլեկուլային-կինետիկ տեսությունը պինդ մարմնի վրա։ Ենթադրելով, որ նյութը պարունակում է անշարժ դրական իոններ և միյանց հետ չփոխազդող էլեկտրոններ  «էլեկտրոնային գազ», Դրուդի մոդելը կարողացավ բացատրել էլեկտրահաղորդականությունը, ջերմահաղորդականությունը և Հոլի էֆեկտը մետաղներում, չնայած այն մեծապես գերագնահատեց էլեկտրոնային ջերմունակությունը։

Առնոլդ Զոմերֆելդը միավորել է դասական Դրուդ մոդելը քվանտային մեխանիկայի հետ ազատ էլեկտրոնի մոդելում (կամ Դրուդ-Զոմերֆելդի մոդել)։ Այստեղ էլեկտրոնները մոդելավորվում են որպես Ֆերմի-գազ՝ մասնիկների գազ, որը ենթարկվում է քվանտային մեխանիկայի  Ֆերմի-Դիրակի վիճակագրությանը։ Ազատ էլեկտրոնի մոդելը տվել է մետաղների ջերմունակությունը նկարագրող բարելավված կանխատեսումներ, սակայն այն չի կարողացել բացատրել մեկուսիչների գոյությունը։

Գրեթե ազատ էլեկտրոնի մոդելը ազատ էլեկտրոնի մոդելի փոփոխությունն է, որը ներառում է թույլ պարբերական խանգարումները, ինչը նախատեսված է բյուրեղային պինդ մարմնում հաղորդիչ էլեկտրոնների և իոնների փոխազդեցության մոդելավորման համար։ Ներկայացնելով էլեկտրոնային ժապավենների գաղափարը՝ տեսությունը բացատրում է հաղորդիչների, կիսահաղորդիչների և մեկուսիչների գոյությունը։

Գրեթե ազատ էլեկտրոնի մոդելը վերագրում է Շրյոդինգերի հավասարումը պարբերական պոտենցիալի դեպքում։ Այս դեպքում լուծումները հայտնի են որպես Բլոխի թեորեմ։ Քանի որ Բլոխի թեորեմը վերաբերում է միայն պարբերական պոտենցիալներին, և քանի որ բյուրեղներում ատոմների անդադար քաոսային շարժումները խախտում են պարբերականությունը, Բլոխի թեորեմի այս օգտագործումը միայն մոտավոր գնահատական ​​է, բայց ապացուցված է, որ այն չափազանց արժեքավոր մոտարկում է, առանց որի պինդ մարմնի ֆիզիկայի մեծ մասի վերլուծությունը դժվար կլինի։ Պարբերականությունից շեղումները վերաբերվում են քվանտային մեխանիկայի խանգարումների տեսությանը։

Տես նաև

Խտացրած նյութի ֆիզիկա
Բյուրեղագիտություն
Միջուկային սպեկտրոսկոպիա

Ծանոթագրություններ

Գրականություն
Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 2004).
H. M. Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press: Oxford, 1995).
Steven H. Simon, The Oxford Solid State Basics (Oxford University Press: Oxford, 2013).
Out of the Crystal Maze. Chapters from the History of Solid State Physics, ed. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
M. A. Omar, Elementary Solid State Physics (Revised Printing, Addison-Wesley, 1993).

Պինդ մարմնի ֆիզիկա
Խտացված նյութի ֆիզիկա
Մետալուրգիա
Ֆիզիկայի ենթաբաժիններ
Նյութագիտություն
Նանոտեխնոլոգիա
Կիսահաղորդչային նյութեր
Վիքիպեդիա:Ընտրյալ հոդվածներ
Վիքիպեդիա:ՈՒՎ 2023-ի հոդվածներ