Физика твердого тела (тексты лекций). Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины С. А. Хахомов, А. В. Семченко, Ю. В. Никитюк физика твердого тела
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» С.А. ХАХОМОВ, А.В. СЕМЧЕНКО, Ю.В. НИКИТЮК ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА 1Гомель УО «ГГУ им. Ф. Скорины» 2010 Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» С.А. ХАХОМОВ, А.В. СЕМЧЕНКО, Ю.В. НИКИТЮК ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА 3.1ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙдля студентов специальности 1 – 31 04 01 «Физика» Гомель УО «ГГУ им. Ф. Скорины» 2010 УДК 621.38 (075.8) ББК 32.86 я73 Н 968 Рецензенты: А. А. Бойко, кандидат физико-математических наук, доцент, проректор по научной работе учреждения образования «Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого»; кафедра радиофизики и электроники учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины». Рекомендовано к изданию научно-методическим советом учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» Хахомов, С. А. H 968 Физика твердого тела : тексты лекций для студентов специальности 1 – 31 04 01 «Физика»: / С. А. Хахомов, А. В. Семченко, Ю. В. Никитюк; М-во образования РБ, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины. – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 128 с. ISBN 978–985–439–379–7 Тексты лекций предназначены для студентов специальности 1 – 31 04 01 «Физика» при изучении дисциплины «Физика твердого тела». Содержание
Лекция 1 Введение в дисциплину 1.1 Предмет и задачи физики твердого тела 1.2 История развития 1.1 Предмет и задачи физики твердого тела Физика твердого тела - это наука о строении и свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях. Физика твердого тела представляет собой один из важнейших разделов современной науки. Благодаря успехам физики твердого тела стали возможны огромные достижения в областях квантовой электроники, полупроводниковой техники, создания материалов с уникальными физическими свойствами, определяющие в значительной степени важнейшие направления научно-технического прогресса. Неудивительно поэтому, что примерно половина всех физиков мира - исследователей и инженеров - занимаются теми или иными вопросами физики твердого тела. Объектами исследования физики твердого тела являются твердые тела. Предметом физики твердого тела является изучение состава твердых тел, их атомно-электронной структуры, установление зависимости между составом, структурой и различными физическими свойствами в первую очередь кристаллических материалов. Физика твердого тела сводится, в сущности, к установлению связи между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемыми при объединении атомов или молекул в гигантские ассоциации в виде регулярно упорядоченных систем - кристаллов. Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические модели твердых тел. Строение реальных кристаллов и аморфных тел значительно сложнее, но эффективность и полезность простых моделей трудно переоценить. В задачу физики твердого тела входит также изучение вопросов образования и роста кристаллов (кристаллизация) и их разрушения под влиянием различных факторов (плавления, сублимации, растворения и т.д.). Одной из наиболее важных задач, стоящих перед учеными и специалистами, является задача создания сверхматериалов с заданными свойствами, точного предсказания их поведения в экстремальных условиях, установления ресурса работы материалов и т. д. Решение этой и других не менее важных задач невозможно без глубокого освоения и дальнейшего развития физики твердого тела. В программу нашего курса в соответствии со стандартом входят следующие вопросы:
1.2 История развития Физика твердого тела как наука родилась в начале XX века в связи с развитием атомной физики. Она занимается главным образом изучением кристаллических твердых тел и поведением электронов в этих телах. Сто лет назад кристаллы изучались только с точки зрения их внешней формы и симметричных связей между различными коэффициентами, описывающими физические свойства кристаллов. После открытия дифракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчетами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов. Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны еще несколько тысячелетий назад. Кристаллом называли вначале только лед, а затем и кварц, считавшийся окаменевшим льдом. В конце эпохи средневековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле. Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, натолкнула ученых еще в семнадцатом веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента, так сказать, кирпичика. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элементарные кирпичики. Сейчас мы знаем, что такими элементарными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку. В восемнадцатом веке минералогами было сделано важное открытие. Оказалось, что индексы, определяющие положение в пространстве любой грани кристалла, по сути целые числа. Гаюи показал, что это можно объяснить расположением идентичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в пространстве. В 1824 г. Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы) являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным разновесным состоянием системы идентичных атомов. Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твердого тела является 8 июня 1912 г. В этот день в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В этой работой было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твердого тела, какой мы знаем ее сегодня. В годы, непосредственно следующие за 1912 годом, в физике твердого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристаллическими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 г. с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI. Лекция 2 Кристаллическая структура твердых тел 2.1 Кристаллические и аморфные тела 2.2 Кристаллическая решетка 2.3 Образование плоскостей и направлений в кристалле 2.3.1 Индексы Миллера |