פיזיקה של מצב מוצק

פיזיקה של מצב מוצק (על פי האקדמיה ללשון העברית, שם הענף הפיזיקלי הוא פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמְּעֻבֶּה, או פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמּוּצָקִי) עוסקת בהתנהגות חומר במצב צבירה מוצק ובחישוב התכונות הפיזיקליות של מוצקים שונים, כגון: גבישים, מתכות ועוד. בגביש גרעיני האטומים מסודרים בצורה מחזורית ובאריזות אופייניות, ואילו האלקטרונים נעים בגביש באופן חופשי יחסית. חלק מהתכונות הנחקרות בפיזיקה של מצב מוצק נובעות מהמבנה הסריגי של גרעיני האטומים, כמו העברת חום, מהירות הקול ואנרגיה של פונונים, וחלקן נובעות מתנועתם של האלקטרונים כגון מוליכות חשמלית או פלזמונים. כיום פיזיקת המצב המוצק נחשבת לתת-תחום של פיזיקה של חומר מעובה, שעוסקת גם בנוזלים, ג'לים וסוגי חומרים נוספים.

מכיוון שהתבנית הבסיסית של הגביש, הקרויה תא יחידה חוזרת על עצמה, נוצרת מחזוריות שמאפשרת להתבונן בתא יחידה בודד וממנו להסיק את תכונות הגביש כולו. המחזוריות נשמרת גם במרחב התנע, לאחר התמרת פורייה, במבנה שנקרא סריג הופכי ותא היחידה המינימלי שלו נקרא אזור ברילואן הראשון, וכך נוח לבצע חישובים במרחב התנע כמו במרחב המקום. 

פיזיקת המצב המוצק מנסה למדל מערכת עם מספר רב של חלקיקים, אך עם רמת סדר גבוהה, בניגוד לתחומי פיזיקה אחרים בהם מספר החלקיקים ניתן לספירה (כמו פיזיקת חלקיקים, פיזיקה גרעינית, פיזיקה אטומית ועוד). עם זאת, רוב התופעות הנחקרות בפיזיקת המצב המוצק נובעות דווקא מהנקודות החריגות במבנה המחזורי (המכונות זיהומים).

לגבישים יש תכונות מגנטיות, אופטיות, חשמליות ומכניות אשר ניתן לנצל לשימושים הנדסיים.

תנועת האלקטרונים
ההנחה העומדת בבסיס התאוריה של פיזיקת המצב המוצק היא שהאלקטרונים מושפעים על ידי כוחות המשיכה (הממודלים על ידי פוטנציאל מחזורי) של כל גרעיני האטומים בסריג המחזורי, ולכן פונקציית הגל שלהם אינה ממוקמת עוד במרחב כי אם פרושה על פני הסריג כולו. עקרון האיסור של פאולי מכריח את האלקטרונים לאכלס רמות אנרגיה שונות, כמספר האלקטרונים החופשיים בחומר. מיקומה של רמת האנרגיה המלאה האחרונה בטמפרטורת האפס המוחלט (רמת פרמי) יקבע את עיקר תכונותיו של החומר - מוליך, מבודד, מוליך למחצה, מתכות למחצה וכן הלאה.

שלוש התאוריות העיקריות לתיאור פונקציות הגל הקוונטיות של האלקטרונים בחומר הן:
 גז פרמי - הדחייה והמשיכה בין האלקטרונים וגרעיני האטומים מבטלות זו את זו ולכן האלקטרונים חופשיים לגמרי ללא אינטראקציות.
 אלקטרונים כמעט חופשיים - המשיכה של האלקטרונים לגרעיני האטומים קטנה יחסית לאנרגיה הקינטית שלהם, ולכן ניתן לטפל בה על ידי תורת ההפרעות.
 מודל הקשירה ההדוקה - האלקטרונים קשורים לגרעין האטום כמו בחלקיק בודד בלי סריג, ונמשכים במשיכה חלשה גם לגרעיני האטומים השכנים כך שהם יכולים בהסתברות כלשהי לקפוץ אליהם.

בשני המודלים האחרונים נוצר מבנה פסים - פערים באנרגיה, כך שישנם ערכי אנרגיה אותם האלקטרונים לא יכולים לקבל. מערכת שאנרגיית פרמי שלה תימצא בתוך הפער תתנהג בהכרח כמו מבודד (המוליכות יורדת עם הורדת הטמפרטורה).

ראו גם
 מוליכות-על
 מבנה פסים

קישורים חיצוניים




קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:תחומים בפיזיקה
*
קטגוריה:פיזיקה של חומר מעובה

de:Kondensierte Materie#Festkörperphysik