Твёрдое тело. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Твёрдое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, к-рые совершают малые колебания около положений равновесия. Различают кристаллич. и аморфные твёрдые тела. Кристаллы характеризуются пространств. периодичностью в расположении равновесных положений атомов (см. Дальний и ближний порядок). В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек. Согласно классич. представлениям, устойчивым состоянием (с мин. внутр. энергией) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в мета-стабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллич. состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется (см. Аморфное состояние, Стеклообразное состояние).

Все вещества в природе затвердевают при атм. давлении и температуре T>0 К. Исключение составляет Не, к-рый остаётся жидким при атм. давлении вплоть до Т=0 К. Для кристаллизации Не необходимо давление 24 атм при Т= 1,5 К; это уникальное свойство Не находит объяснение в квантовой теории твёрдого тела и жидкостей (см. Гелий твёрдый).

При исследовании твёрдых растворов изотопов Не (под давлением) обнаружено особое состояние вещества, занимающее промежуточное положение между кристаллом и квантовой жидкостью. Оно получило назв. квантового кристалла. У обычных кристаллов волновые свойства атомов приводят к существованию колебаний кристаллич. решётки при Т=0 К (нулевые колебания ),у квантовых жидкостей эти свойства полностью разрушают кристаллич. структуру, а у квантовых кристаллов волновые свойства атомов, сохраняя выделенность узлов кристаллич. решётки, допускают перемещение атомов с узла на узел (см. ниже).

Понятие "твёрдого тела", как и понятие "жидкость", имеет характер идеализации (модели), точнее было бы говорить о твердотельных и жидкостных свойствах конденсиров. среды. Напр., с точки зрения упругих свойств, твёрдым следует считать тело с отличным от 0 статич. модулем сдвига J (у жидкости J = 0). При рассмотрении пластич. свойств твёрдым следует считать тело, необратимо деформируемое лишь при конечном надпороговом напряжении (у жидкостей, даже очень вязких, типа смол, пороговое напряжение необратимой деформации равно 0).

Исследования свойств твёрдого тела объединились в большую область - физику твёрдого тела, развитие к-рой стимулируется как фундам. наукой, так и потребностями техники. Около половины физиков мира работают в области физики твёрдого тела, почти половина всех науч. физ. публикаций относится к исследованию твёрдого тела. Физика твёрдого тела - источник новых материалов; новые физ. идеи, рождающиеся в физике твёрдого тела, проникают в ядерную физику, астрофизику, биофизику и др.

Историческая справка

Накопление и систематизация данных о свойствах твёрдого тела (металлов, минералов и др.) начались с 17 в. Был установлен ряд эмпирич. законов, описывающих воздействие на твёрдое тело механич. сил, света, электрич. и магн. полей и т. д. Были открыты Гука закон (1678), Дюлонга и Пти закон (1819), Ома закон (1826), Видемана - Франца закон (1853) и др. В 1-й пол. 19 в. созданы осн. концепции упругости теории, для к-рой характерно представление о твёрдом теле как о сплошной (континуальной) среде.

Представление о кристалле как совокупности атомов, упорядочение расположенных в пространстве и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия, было в окончательном виде сформулировано О. Браве (A. Bravais) в 1848. Однако эта идея восходит ещё к трактатам Н. Стено (N. Steno, 1669) и Р. Ж. Аюи (1784), к работе И. Ньютона (I. Newton, 1686), в к-рой рассчитана скорость звука в цепочке упруго связанных частиц, Д. Бер-нулли (D. Bernoulli, 1727), О. Л. Коши (A. L. Cauchy, 1830) и др. В 1890 Е. С. Фёдоров и независимо А. Шёнфлис (A. Shoenflies) доказали возможность существования 230 вариантов упорядоченного расположения частиц в твёрдом теле (см. Симметрия кристаллов).

В 1912 М. Лауэ (М. Laue), П. Книппинг (P. Knipping) и В. Фридрих (W. Friedrich) открыли дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристаллич. твёрдом теле как упорядоченной дискретной структуре. В 1913 У. Л. Брэгг (W. L. Bragg) и Г. В. Вульф установили соотношение, связывающее период кристаллич. решётки, длину волны рентг. излучения с направлениями дифракц. максимумов (см. Брэгга - Вулъфа условие). На основе этого были разработаны методы эксперим. определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентг. структурному анализу и др. дифракц. методам исследования структуры твёрдого тела. В 1927 К. Дж. Дэ-виссон (С. J. Davisson) и Л. X. Джермер (L. H. Germer) наблюдали дифракцию электронов на кристалле. Впоследствии была обнаружена дифракция на кристалле нейтронов (см. Нейтронография структурная)и др. частиц.

В дальнейшем физика твёрдого тела разделилась на ряд областей, обособление к-рых происходит путём выделения либо объектов исследования (физика металлов, физика полупроводников, физика магнетиков и др.), либо методов исследования свойств твёрдого тела (механических, тепловых и т. д.).

Квантовые представления в физике твёрдого тела

Физика твёрдого тела в совр. её понимании как квантовой физики конденсиров. систем, состоящих из огромного числа частиц (~10²²в 1 см³), начала формироваться в нач. 20 в. Одним из осн. результатов квантового подхода к исследованию свойств кристаллич. твёрдого тела явилась концепция квазичастиц. Энергию возбуждённого состояния кристалла вблизи осн. состояния можно представить в виде суммы энергий отд. квазичастиц. Это позволяет ввести понятие "газа" квазичастиц для исследования тепловых, магн. и др. свойств твёрдого тела и использовать представления кинетич. теории газов. Макро-скопич. характеристики твёрдого тела при этом выражаются через характеристики квазичастиц (длину пробега, скорость и др.). Квазичастицы существуют не в свободном пространстве (как частицы в реальных газах), а в кристаллич. решётке, структура к-рой отражается в их свойствах (см. ниже).

Знание структуры твёрдого тела и характера движения частиц позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за то или другое явление или свойство. Напр., высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность - электронами проводимости и фононами ,нек-рые особенности поглощения света в твёрдом теле - экситонами ,ферромагн. резонанс-магнонами и т. д. (см. ниже).

Отличие количественных характеристик разл. движений частиц в твёрдого тела позволяет отделить одно движение от другого. Независимость разл. типов движения твёрдого тела обусловлена малой энергией взаимодействия между квазичастицами.

Атомы и молекулы в твёрдом теле

Структурными единицами твёрдого тела являются атомы, молекулы и ионы. Атомно-кристал-лич. структура твёрдого тела зависит от сил, действующих между частицами твёрдого тела. Одни и те же частицы могут образовывать разл. структуры (напр., серое и белое олово, графит и алмаз; см. Полиморфизм).

При достаточном повышении температуры все твёрдые тела плавятся (или возгоняются). Подводимая к телу в процессе плавления теплота тратится на разрыв межатомных связей. Темп-pa плавления Т_пл, характеризующая силу связи атомных частиц в твёрдом теле, различна: у молекулярного водорода Т_пл =-259,1 °С, у вольфрама 3410 + 20 °С, а у графита более 4000 °С (см. Межатомное взаимодействие, Меж-молекулярное взаимодействие). Твёрдый ³Не составляет исключение: он плавится под давлением при понижении температуры (см. Померанчука эффект).

Изменяя ср. расстояние между атомами с помощью внеш. давления, можно существенно изменить величину межатомных сил и благодаря этому - кристаллич. структуру твёрдого тела. При больших давлениях обнаружено большое число разл. кристаллич. модификаций, Мн. полупроводники под давлением переходят в металлич. состояние (Ge при давлении 120 000 атм становится металлом), a Y под давлением превращается в полупроводник. Есть основания считать, что молекулярный водород под давлением в 2- 3•10⁶ атм превращается в металл (см. Металлический водород ).При чрезвычайно большом давлении (или плотности), когда объём, приходящийся на один атом, меньше обычного атомного размера, атомы теряют свою индивидуальность и вещество превращается в сильно сжатую электронно-ядерную плазму. Исследование такого состояния вещества важно, в частности, для понимания структуры звёзд.

Изменения структуры и свойств твёрдого тела (фазовые переходы)происходят также при изменении температуры, под действием магн. полей и др. внеш. воздействий (см. также Структурные фазовые переходы).

По типам связи между частицами и энергией связи между ними твёрдые тела делятся на 5 типов, каждый из к-рых характеризуется определ. пространственным распределением электронов. 1) В ионных кристаллах (NaCl, KCl и др.) осн. силы притяжения, действующие между ионами,- электростатические. 2) В кристаллах с ковалентной связью (алмаз, Ge, Si) валентные электроны соседних атомов обобществлены, кристалл представляет собой как бы огромную молекулу. 3) У большинства металлов энергию связи обусловливает коллективное взаимодействие подвижных электронов с ионным остовом (металлическая связь ).У нек-рых металлов (напр., у переходных) важна также ковалент-ная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутр. оболочек. 4) В молекулярных кристаллах молекулы связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса (см. Меж молекулярное взаимодействие), обусловленными динамич. поляризацией молекул. 5) В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя др. атомами. Водородная связь вместе с электростатич. притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда. Классификация по типам связи условна, во мн. случаях наблюдается сочетание разл. типов связи (см. Кристаллохимия, Химическая связь).

Хотя силы, действующие между атомными частицами в твёрдом теле, весьма разнообразны, их источником служат электростатич. притяжение и отталкивание. Образование из атомов и молекул устойчивых твёрдых тел показывает, что силы притяжения на расстояниях ~10^-8 см уравновешиваются силами отталкивания (они имеют квантовомеханич. природу и быстро спадают с расстоянием, т. к. определяются перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих отд. атомам). В ряде случаев можно рассматривать атомные частицы как твёрдые шары и характеризовать их кристаллохимическими радиусами (см. Атомный радиус).

Знание сил взаимодействия даёт возможность вывести ур-ние состояния твёрдого тела - зависимость уд. объёма от давления, позволяющую связать экспериментально измеряемые величины (напр., сжимаемость) с величинами, определяющими силы, действующие между частицами.

Механические свойства твёрдого тела

(реакции на внеш. механич. воздействия - сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д.) определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механич. свойств: одни твёрдые тела пластичны, другие хрупки. Обычно металлы более пластичны, чем диэлектрики. Напр., деформация Сu при комнатной температуре в момент разрыва достигает неск. десятков %, a NaCl разрушается почти без деформации (см. Пластичность).

Механич. характеристики изменяются с температурой Т: с повышением Т пластичность обычно увеличивается. Реакция большинства твёрдых тел зависит от темпа внеш. механич. воздействия: напр., твёрдое тело, хрупкое при ударе, может выдержать значит. статич. нагрузку (см. Механические свойства материалов).

При небольших статич. нагрузках у всех твёрдых тел наблюдается линейное соотношение между напряжением и деформацией (закон Гука). Упругая деформация обратима - при снятии напряжения она исчезает. Для идеального монокристалла (без дефектов) область обратимой деформации должна была бы наблюдаться вплоть до разрушения, причём предел прочности должен был бы соответствовать силам связи между атомами. Прочность реального кристалла не соответствует силам связи между атомами. В 1922 А. Ф. Иоффе объяснил низкую прочность реальных кристаллов влиянием макроскопич. дефектов (трещин, надрезов) на их поверхности. В дальнейшем оказалось, что при больших механич. нагрузках реакция кристалла зависит от наличия и кол-ва в кристалле дефектов, в частности дислокаций. В большинстве случаев именно дислокации определяют пластичность твёрдого тела.

Механич. свойства твёрдого тела могут быть изменены его обработкой, вносящей или устраняющей дефекты (отжиг, закалка, легирование, гидроэкструзия и т. п.). Напр., предел прочности при растяжении специально обработанной стали 300-500 кгс/мм², а обычной стали того же хим. состава не более 40-50 кгс/мм².

Упругие свойства изотропных твёрдых тел (в частности, поликристаллов)описываются модулем Юнга Е (отношение напряжения к относит. удлинению) и коэф. Пуассона а (отношение изменений поперечного и продольного размеров), характеризующими реакцию на растяжение (сжатие) образца в виде однородного стержня (см. Упругость ).Для стали и ковкого железа E=2,1•10⁶ кгс/см . Из условия устойчивости недеформиров. состояния следует, что E>0, а - 1<s<1/2. Однако в природе тела с отрицат. коэф. Пуассона не обнаружены. Модуль Юнга и коэф. Пуассона определяют скорости распространения поперечных и продольных упругих волн в изотропном твёрдом теле.

Движения атомных частиц в твёрдом теле

Колебат. характер движения атомов, молекул и ионов твёрдом теле сохраняется вплоть до температуры плавления T_пл. Даже при Т= Т_пл ср. амплитуда колебаний атомов значительно меньше межатомных расстояний, а плавление обусловлено тем, что термодинамич. потенциал жидкости при Т> Т_плменьше термодинамич. потенциала твёрдого тела.

Динамич. теория кристаллич. решёток разработана в нач. 20 в. В 1907 А. Эйнштейн (A. Einstein) с помощью модели кристалла как совокупности квантовых гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдого тела при понижении температуры. Этот факт находился в противоречии с Дюлонга и Пти законом .Более совершенная динамич. теория кристаллич. решётки как совокупности квантовых осцилляторов разл. частот была построена П. Дебаем (P. Debye, 1912; см. Дебая теория), затем М. Борном (М. Born) и Т. Карманом (Т. Karman) (1913), а также Э. Шрёдингером (Е. Schrodin-ger, 1914).

Квантование колебат. движения атомов, составляющих кристаллич. решётку, позволило ввести квазичастицы - фононы (см. также Колебания кристаллической решётки ).В аморфных телах тепловое движение частиц также носит колебат. характер. Однако фононы удаётся ввести только для низкочастотных акустич. колебаний, когда на длине волны расположено много атомов, колеблющихся почти синфазно, и их взаимное расположение не слишком существенно. Макс. частоты колебаний в аморфных телах мало отличаются от макс. частот в кристаллах, т. к. определяются силами взаимодействия между ближайшими атомами. В результате этого, а также наличия ближнего порядка в аморфных телах плотность колебат. состояний в них близка к плотности колебат. состояний кристаллов.

Динамич. теория кристаллич. решётки позволила объяснить упругие свойства твёрдого тела, связав значения статич. модулей упругости с силовыми константами. Тепловые свойства- температурный ход теплоёмкости (см. Дебая закон теплоёмкости, Дебая температура), коэф. теплового расширения и теплопроводность - как свойства газа фононов (в частности, температурный ход теплоёмкости) объясняются как результат изменения с температурой числа фононов и длины их свободного пробега. Оптич, свойства, напр. поглощение фотонов ИК-излучения, объясняются резонансным возбуждением оптич. ветви колебаний кристаллич. решётки - рождением оптич. фононов (см. также Динамика кристаллической решётки).

Твёрдые тела различаются температурами Дебая J_Д, отделяющими область высоких температур (T>J_Д), где колебат. движение атомов (фононы) можно описывать, не выходя за пределы классич. физики, от квантовой области. При T>J_Д число фононов линейно растёт с температурой, а при Т< J_Д (в квантовой области) - стремится к 0 как T³ при Т

0 К. При Т=0 К в твёрдых телах вовсе нет фононов. При Т>J_Д большая часть тепловой энергии твёрдого тела есть энергия газа фононов. Как правило, J_Д< Т_пл (исключение составляют твёрдый Не и др. затвердевшие инертные газы).

В процессе колебания кинетич. энергия частицы в результате флуктуации может превысить глубину потенциальной ямы, в к-рой она движется. Это означает, что частица способна "оторваться" от своего положения равновесия. Обычно вероятность W такого процесса при комнатной температуре мала:

Здесь W₀ = 10¹² - 10¹³с^-1 - частота колебаний атома в потенциальной яме;

порядка энергии связи, рассчитанной на одну частицу (

~kT_пл). Поэтому все процессы в твёрдом теле, сопровождающиеся переносом вещества (диффузия собственных и чужеродных атомов), идут сравнительно медленно. Только вблизи Т_пл скорость этих процессов велика. Коэф. диффузии, пропорц. W, существенно зависит от состояния кристаллич. решётки. Пластич. деформация обычно "разрыхляет" кристалл, снижает энергию связи, потенц. барьеры, разделяющие равновесные положения, и поэтому увеличивает вероятность "перескоков" атомов, увеличивает коэф. диффузии D.

В твёрдом Не возможно туннельное "просачивание" атомов из одного положения равновесия в другое. Эта квантовая диффузия приводит к тому, что коэф. диффузии D

0 при Т=0 К. Делокализация атомов, связанная с туннельными переходами, превращает примесные атомы и вакансии в своеобразные квазичастицы (примесоны, вакансио-ны). Они определяют свойства квантовых кристаллов.

Электроны в твёрдом теле

Сближение атомов в твёрдом теле на расстояния порядка размеров самих атомов приводит к тому, что валентные электроны теряют связь с определ. атомами и движутся по всему твёрдому телу. Дискретные атомные уровни энергии расширяются в полосы (энергетич. зоны), причём зоны разрешённых энергий могут быть отделены друг от друга зонами запрещённых энергий, но могут и перекрываться. Индивидуальность зон сохраняется и при их перекрытии: состояния электронов с одной и той же энергией, но принадлежащие разным зонам, различны. Глубинные атомные уровни расширяются совершенно незначительно, и состояние глубинных электронов в атомах твёрдого тела такое же, как в свободном атоме.

В кристаллах состояние электрона в зоне благодаря периодичности действующих на него сил определяется квазиимпульсом р, а энергия электрона в зоне e_s - периодич. функция квазиимпульса:

где s - номер зоны (см. Елоховские электроны, Зонная теория). Соотношение (2) наз. законом дисперсии.

В аморфных телах квазиимпульс ввести нельзя. Строго запрещённых зон энергии в аморфных телах нет, однако есть квазизапрещённые области, где плотность состояний меньше, чем в разрешённых зонах. Движение электрона с энергией из квазизапрещённой области локализовано, из разрешённой зоны - делокализовано (см. Неупорядоченные системы).

В соответствии с Паули принципом в каждом энергетич. состоянии может находиться не более двух электронов (с разными проекциями спина). Поэтому в каждой энергетич. зоне кристалла может поместиться не более 2N электронов, где N-число уровней в зоне, равное числу элементарных ячеек кристалла. При Т=0 К все электроны занимают наиб. низкие энергетич. состояния. Существование твёрдого тела с разл. электрич. свойствами связано с характером заполнения электронами энергетич. зон при Т= 0 К. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие твёрдые тела не проводят электрич. ток, т. е. являются диэлектриками (изоляторами). Твёрдые тела, имеющие зоны, частично заполненные электронами,- проводники электрич. тока - металлы (проводники). Полупроводники отличаются от диэлектриков малой шириной запрещённой зоны

между последней заполненной (валентной) зоной и первой свободной (зоной проводимости). Твёрдые тела с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости наз. полуметаллами. Существуют бесщелевые полупроводники ,зона проводимости к-рых примыкает к валентной зоне.

Наличие дефектов и примесей в кристалле приводит к возникновению дополнит. примесных энергетич. уровней, располагающихся в запрещённой зоне. У полупроводников эти уровни часто расположены очень близко либо от валентной зоны, либо от зоны проводимости.

Энергия, отделяющая занятые состояния от свободных (т. н. ферми-энергия ),у металлов расположена в разрешённой зоне; ей соответствует изоэнергетич. поверхность, называемая ферми-поверхностью. Она выделяет область занятых электронных состояний в пространстве квазиимпульсов. У полупроводников ферми-энергия

(значение хим. потенциала электронов при Т= 0 К) расположена в запрещённой зоне и носит несколько формальный характер (см. Химический потенциал ).У бесщелевых полупроводников она совпадает с границей, отделяющей валентную зону от зоны проводимости.

Энергетич. зона, в к-рой не заняты состояния с энергиями, близкими к максимальной, проявляет себя как зона, содержащая положительно заряж. частицы - дырки. Возбуждение электрона в зону проводимости сопровождается образованием свободного места - дырки в валентной зоне. Электроны частично заполненных зон (электроны проводимости) и дырки являются носителями заряда в твёрдых телах.

Электронная система твёрдых тел порождает и более сложные образования: в полупроводниках - экситоны Ванье - Мотта и Френкеля и поляроны; в сверхпроводящих металлах- куперовские пары (см. Купера эффект ).Кроме того, по электронной системе Т. т. могут распространяться волны плазменных колебаний; им соответствуют квазичастицы- плазмоны (см. Плазма твёрдых тел).

Электронные свойства твёрдого тела

Кристаллы, имеющие только заполненные и пустые электронные энергетич. зоны, ведут себя в электрич. поле как диэлектрики (изоляторы). Первый возбуждённый уровень находится на конечном расстоянии от основного, причём ширина запрещённой зоны

велика. Делокализация электронов в таких Т. т. не играет роли, диэлектрики можно считать состоящими из разделённых в пространстве атомов, молекул или ионов. Влияние электрич. поля сводится к сдвигу зарядов и приводит к поляризации диэлектриков (подробно см. в ст. Диэлектрики, Диэлектрическая проницаемость).

В металлах при низких темп-pax электроны проводимости не только проводят ток, но и играют важную роль в тепловых свойствах. Линейная зависимость теплоёмкости и коэф. теплового расширения металла от температуры при Т

0 К объясняется тем, что электроны, подчиняющиеся Ферми - Дирака статистике, сильно вырождены. Вырождение сохраняется практически при всех темп-pax, т. к. темп-pa вырождения T_F=

/k для хороших металлов ~ 10⁴ К. Поэтому при высоких темп-pax теплоёмкость металлов неотличима от теплоёмкости диэлектриков.

Благодаря вырождению электронов в металлах в процессах переноса (электропроводность, теплопроводность) участвуют только электроны, энергия к-рых

, т. е. электроны, расположенные вблизи поверхности Ферми.

Так, уд. электропроводность металла можно записать в виде

где S-площадь поверхности Ферми, l-ср. длина свободного пробега электронов. Температурные зависимости s и уд. сопротивления r=1/s определяются температурной зависимостью длины свободного пробега /. При Т>>J_Д гл. механизм рассеяния - рассеяние электронов на фононах, при T<<J_Д важную роль играет рассеяние на дефектах кристалла, в частности на поверхности образца.

Большая часть теплоты в металлах переносится электронами проводимости. В широком диапазоне температур существует соотношение между электропроводностью и электронной теплопроводностью (Видемана - Франца закон).

Термоэлектрич. явления (термоэдс, Пелътъе эффект и др.) также являются следствием участия электронов в переносе тепла. Магн. поле изменяет электропроводность и теплопроводность и служит причиной гальваномагнитных явлений и тер-могальваномагнитных явлений (см. Холла эффект, Нернста - Эттингсхаузена эффект и др.).

Коэф. отражения эл--магн. волн металлом близок к 1, т. к. эл--магн. волны благодаря скин-эффекту практически не проникают в металл: глубина d проникновения при низких частотах равна

(w - частота волны). В оп-тич. диапазоне d = с/w₀~10^-5 см (w₀ - плазменная частота электронов; см. Металлооптика).

Поверхности Ферми, как правило, имеют сложную форму. Разнообразие формы поверхностей Ферми у разл. металлов обычно выявляется в их поведении в достаточно сильном магн. поле.

В полупроводниках при Т>0 К часть электронов из валентной зоны и примесных уровней переходит в возбуждённое состояние - появляются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Благодаря этому при комнатной температуре полупроводник обладает заметной электропроводностью. Осн. параметром, определяющим число электронов и дырок в полупроводнике при тепловом возбуждении, служит ширина запрещённой зоны - мин. расстояние между валентной зоной и зоной проводимости.

Возбуждение полупроводника может быть вызвано освещением. Электроны, поглощая фотоны, переходят в зону проводимости и в валентной зоне образуются дырки. Особенность полупроводников в том, что их свойства легко изменяются при сравнительно слабых внешних воздействиях (изменение температуры, давления, освещение, введение примесей и т. п.). На этом основаны многочисл. применения (см. Полупроводниковые приборы).

Электропроводность полупроводников определяется числом носителей п и подвижностью m электронов и дырок:

Экспоненциальная зависимость s от температуры - следствие экспоненциальной зависимости от Т числа носителей п. В нек-рых полупроводниках (напр., в Те), легированных большим числом примесей, при низких темп-pax наступает вырождение газа носителей, что сближает их с металлами (сильнолегированные полупроводники).

Электронные свойства аморфных тел зависят от того, в какой области (разрешённой или квазизапрещённой) расположен уровень Ферми. Существование в аморфных телах аналога зонной структуры объясняет их деление на аморфные металлы (см. также Металлические стёкла), диэлектрики и полупроводники. Наиб. детально изучены аморфные полупроводники (напр., халькогенидные стёкла). Существование квазизапрещённой зоны обнаруживается оптич. исследованиями, к-рые подтверждают "заполнение" запрещённой зоны квазилокальными уровнями (хвосты плотности состояний). Специфич. особенность. аморфных полупроводников - прыжковая проводимость- объясняет характерную зависимость подвижности носителей от температуры: m

exp[ - (T₀/T)^1/4] (закон Мотта, Т₀

10⁶ -10⁸ К) в условиях, когда вероятность теплового возбуждения мала (при низкой температуре). Электрон "выбирает" себе место для "прыжка", так чтобы достигался максимум вероятности перехода из одного состояния в другое.

У мн. металлов при охлаждении ниже нек-рой температуры Т наблюдается полная потеря электросопротивления - металл переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости объясняется притяжением между электронами, обусловленным обменом фононами. При этом образуются электронные (куперовские) пары, возникает "конденсат", способный двигаться без сопротивления. Устойчивость сверхпроводящего состояния обеспечена наличием энергии связи электронов в паре, благодаря чему зона энергий элементарных возбуждений отделена энерге-тич. щелью от энергии осн. состояния (см. Сверхпроводники).

Магнитные свойства

При достаточно высоких температурах все Т. т. либо диамагнитны, либо парамагнитны. В первом случае вектор намагниченности М=

Н, направленный против магн. поля Н, - результат общей прецессии всех электронов Т. т. в магн. поле (см. Лармора прецессия, Диамагнетизм). Электроны проводимости благодаря квантованию их движения в плоскости, перпендикулярной Н, также вносят вклад в М, причём у металлов он того же порядка, что магнитная восприимчивость ионного остова (см. квантовый диамагнетизм ).Парамагнетизм - следствие ориентации магн. моментов атомов и электронов проводимости в магн. поле. При высоких темп-pax парамагн. восприимчивость убывает обратно пропорц. температуре (Кюри закон). Непереходные металлы составляют исключение. Их парамагн. восприимчивость аномально мала и слабо зависит от температуры, что связано с вырождением электронного газа (см. Паули парамагнетизм ).Наличие магн. моментов у атомов, ионов и электронов проводимости и связанное с этим расщепление электронных уровней энергии в магн. поле (Зеемана эффект)приводит к электронному парамагнитному резонансу (ЭПР). Структура магн. уровней очень чувствительна к тому, в каком окружении находится частица. Поэтому ЭПР - важнейший источник ин-формации о расположении атомов в элементарной ячейке кристалла, химической связи, дефектах и т. п.

При понижении температуры многие парамагнетики при некрой критич. температуре Т_C переходят либо в ферро- (точка Кюри), либо в антиферромагн. (точка Нееля) состояния, для к-рых характерна упорядоченная ориентация магн. моментов атомов в отсутствие внешнего поля. Характер упорядочения зависит от сил, действующих между магн. моментами атомов. Непереходные металлы, как правило, остаются парамагнитными вплоть до Т=0 К. Магнито-упорядоченные Т. т. при Т< Т_C обладают специфич. квазичастицами - магнонами - элементарными носителями магн. беспорядка (см. Спиновые волны ).Температурная зависимость числа магнонов объясняет температурную зависимость намагниченности ферромагнетика и др. свойства магнетиков.

Силы, упорядочивающие магн. моменты, имеют квантовое происхождение, хотя обусловлены электростатич. взаимодействием между электронами (см. Магнетизм, Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм, Обменное взаимодействие).

Роль атомных ядер в свойствах твёрдого тела

Роль атомных ядер в свойствах твёрдого тела не ограничивается тем, что в них сосредоточена осн. масса тела. Квантовое "замораживание" большинства движений в Т. т. при Т

0 К даёт возможность выявить вклад ядерных магн. уровней, если ядра обладают магн. моментами. При достаточно низкой температуре их вклад в парамагн. восприимчивость становится ощутимым (см. Ядерный парамагнетизм ).Ядерные магн. уровни проявляются в резонансном поглощении эл--магн. энергии [см. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)]. ЯМР - один из распространённых методов изучения Т. т., так как структура ядерных магн. уровней существенно зависит от свойств ядерного окружения, в частности от электронной оболочки атома. Мн. ядерные процессы в Т. т. приобретают специфич. черты, позволяющие использовать их для изучения свойств Т. т., напр.: изучение электронно-позитронной аннигиляции позволяет исследовать свойства электронной системы Т. т.; резонансное поглощение g-квантов ядрами Т. т.- локальные внутрикри-сталлические поля (см. Мёссбауэра эффект, Мёссбауэров-ская спектроскопия).

Взаимодействие быстрых заряженных частиц с твёрдыми телами

Упорядоченное расположение атомов накладывает существ. отпечаток на передачу энергии от быстрой частицы атомам Т. т. Напр., наблюдается резкая зависимость длины пробега быстрой частицы от направления относительно кристаллографич. осей (см. Каналирование заряженных частиц, Теней эффект). С другой стороны, облучение Т. т. быстрыми частицами и фотонами изменяет свойства Т. т. (см. Радиационные дефекты).

Роль поверхности

Каждое твёрдое тело обладает поверхностью, к-рой соприкасается с окружающей средой. Поверхность твёрдого тела играет определяющую роль в таких явлениях, как катализ, коррозия, рост кристаллов (см. Кристаллизация)и т. п. Обычно микроструктура поверхности крайне нерегулярна, и её исследование наталкивается на большие трудности.

Традиционно поверхность воспринималась только как граница Т. т., а экспериментаторы пытались с помощью обработки (травления, очисткой пучком ионов и др. методами) добиться того, чтобы свойства границы не мешали изучению объёмных свойств Т. т. В последнее время граница Т. т. превратилась в специфический объект исследования. Обнаружены и исследуются поверхностные возбуждения (квазичастицы, локализованные вблизи поверхности); изучаются поверхностные фазовые переходы, связанные с изменением огранки Т. т., а также с упорядочением атомов, адсорбированных на поверхности (см. Адсорбция, Поверхностные состояния).

Тенденции развития физики твёрдого тела

Развитие физики твёрдого тела не прекращается, что не противоречит утверждению о своеобразной консервативности этой области. Представления, сформулированные до 60-х гг. 20 в., не отпали при последующем развитии физики Т. т. По-прежнему основой понимания динамич. свойств Т. т. служат квазичастицы, разделяющиеся на фермионы и бозоны; для понимания резких изменений свойств Т, т., вызванных внеш. воздействиями, необходимо привлекать теорию фазовых переходов и кри-тич. явлений; осн. механизмом перемещения атомных частиц в Т. т. считается диффузия. Не изменилась и систематика Т. т., в то время как изменения систематики - один из наиб. объективных показателей смены фундам. представлений.

Однако заметны существ. изменения: 1) расширился инструментарий, используемый для исследования Т. т.; появились сверхчувствительные оптич. и радиофиз. приборы, в частности использующие когерентные источники эл--магн. излучения (лазеры и мазеры); внедрён в эксперим. практику сканирующий туннельный микроскоп ,разрешение к-рого позволяет фиксировать положение отдельных атомов и молекул; созданы искусств. кристаллы (см. Сверхрешётка)с заданными свойствами; обнаружены новые модификации углерода (см. Фуллерены; )ЭВМ используются не только для расчётов характеристик Т. т. на основе адекватных моделей, но и для усовершенствования эксперим. методов.

2) Развитие теории и вычислит. возможностей привело к тому, что наши знания о Т. т. стали количественно определёнными. Различие в поведении разных Т. т. одной природы, как правило, может быть объяснено на основе знания их состава, геом. структуры, типа осн. состояния и законов дисперсии квазичастиц, осуществляющих динамику атомных частиц в Т. т. Теория фазовых переходов 2-го рода в конденсиров. средах позволяет вычислить кри-тич. индексы, характеризующие аномалии физ. величин в критической точке.

3) Трудности, возникающие при попытках квантового описания системы неупорядоченных атомных частиц, привели к перенесению интересов от физики идеальных кристаллов к физике аморфных и стеклообразных веществ, к выяснению условий существования локализованных и де-локализованных состояний (пределов проводимости, порога подвижности и т. п.). Их изучение открыло новые техн. применения Т. т.

4) Существ. роль в физике Т. т. получило исследование нелинейных процессов. Обнаружены возможности моделировать разнообразные нелинейные явления, воздействуя на Т. т. разной природы эл--магн. полями разл. частоты. Такие понятия, как солитон, аттрактор, хаос, самоорганизация, пришедшие из физики нелинейных процессов, стали употребительными в физике Т. т.

5) Возрос интерес к Т. т., обладающим промежуточными свойствами между телами разной природы, и к др. экзотич. системам: квантовым кристаллам, занимающим промежуточное положение между квантовыми жидкостями и Т. т., к жидким кристаллам, к квазикристаллам, обладающим несоразмерной структурой и при наличии дальнего координационного порядка содержащим запрещённые для фёдоровских групп оси симметрии 5-го порядка, и др.

6) Миниатюризация электронных приборов привлекла внимание к электронным системам низкой размерности - двумерным и одномерным, свойства к-рых существенно отличаются от их трёхмерных аналогов (см. Квазиодномерные соединения, Квазидвумерные соединения). Это привело, в частности, к открытию квантового Холла эффекта в двумерных инверсионных слоях носителей заряда в полупроводниках. Теоретич. и эксперим. исследования кластеров (суперминиатюрных систем) позволяют исследовать непосредственно переход от микроскопических к макроскопическим объектам.

7) Открытие высокотемпературных сверхпроводников с критич. температурой выше температуры кипения азота (- 195,8 ^oС) (см. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники)привело к резкому возрастанию интереса к физике сверхпроводимости, а также к её техн. применениям.

Физика твёрдого тела развивалась вместе с физикой атомных и субатомных частиц, причём важную роль играл обмен идеями и эксперим. методиками между физикой Т. т. и физикой микромира.

Литература по твёрдым телам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.