Das Festkörperphysik ist der Zweig der Physik, der sich mit dem Studium der Materie befasst, wenn sie sich in einem Zustand niedriger Energie befindet fester Zustand, unter Verwendung physikalischer Theorien wie Quantenmechanik, statistische Physik, Thermodynamik, Elektromagnetismus und Kristallographie.
Im festen Zustand ist die intermolekulare Anziehungsenergie geringer als die Wärmeenergie, daher können die Moleküle kaum um mehr oder weniger feste Positionen schwingen. Einige Feststoffe sind auf molekularer Ebene amorph, während andere eine geordnetere Struktur aufweisen, wie z. B. Kristalle..
Einige Beispiele für feste Materialien sind Quarzsand, Glas, Graphit (Mineralkohle), Kochsalz, raffinierter Zucker, Eisen, Kupfer, Magnetit, Quarz und viele mehr.
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Feste Materialien haben das Hauptmerkmal, dass sie unter normalen Bedingungen, wenn sie keinen großen äußeren Beanspruchungen ausgesetzt sind, ihr Volumen und ihre Form beibehalten..
Dies steht im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die, obwohl sie ihr Volumen beibehalten können, ihre Form ändern, indem sie sich an den Behälter anpassen, in dem sie sich befinden. Bei Gasen ist der Kontrast sogar noch größer, da sie durch Änderung ihres Volumens und ihrer Form komprimiert oder expandiert werden können..
Feststoffe können jedoch ihr Volumen variieren, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt werden, die weit genug sind, um bemerkenswerte Auswirkungen zu haben, jedoch ohne einen Phasenübergang in einen anderen Materiezustand..
Feststoffe können in ihrer inneren Molekülstruktur amorph sein. Zum Beispiel ist Glas ein amorphes Material, das von vielen sogar als überkühlte Flüssigkeit angesehen wird. Quarz und Diamant haben jedoch eine kristalline Struktur, dh ihre Atome folgen regelmäßigen und räumlich periodischen Anordnungen..
Die Festkörperphysik untersucht die Beziehung zwischen Eigenschaften auf makroskopischer Ebene (tausend- oder millionenfach größer als auf atomarer Ebene) und Eigenschaften auf molekularer oder atomarer Ebene..
In einem Festkörper sind die Atome sehr nahe beieinander und die Wechselwirkung zwischen ihnen bestimmt ihre Eigenschaften auf einer Makroskala, wie z. B. ihre mechanischen Eigenschaften: Steifheit und Duktilität sowie ihre thermischen, magnetischen, optischen und elektrischen Eigenschaften..
Zum Beispiel sind Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetisierung makroskopische Eigenschaften von Festkörpern, die direkt davon abhängen, was auf molekularer oder atomarer Ebene geschieht..
Ein klares Beispiel für die Bedeutung der Festkörperphysik sind Halbleiter. Das Verständnis ihrer Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene ermöglicht die Entwicklung von Geräten wie Transistoren, Dioden, integrierten Schaltkreisen und LEDs, um nur einige Anwendungen zu nennen..
In Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturbedingungen sowie den Prozessen, die während ihrer Bildung ablaufen, erhalten feste Materialien eine bestimmte mikroskopische Struktur..
Beispielsweise bestehen Materialien, die so unterschiedlich sind wie Graphit und Diamant, ausschließlich aus Kohlenstoffatomen. Ihre Eigenschaften sind jedoch völlig unterschiedlich, da sich ihre mikroskopischen Strukturen trotz ihrer Zusammensetzung aus der gleichen Art von Atomen enorm unterscheiden..
Metallurgiespezialisten wissen, dass ausgehend von demselben Material und unterschiedlichen Wärmebehandlungen bei der Herstellung von Teilen wie Messern und Schwertern sehr unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Unterschiedliche Behandlungen führen zu unterschiedlichen mikroskopischen Strukturen.
Feststoffe können je nach ihrer Bildung grundsätzlich drei Arten mikroskopischer Strukturen aufweisen:
Die Festkörperphysik basiert auf grundlegenden Prinzipien, um die Eigenschaften fester Materialien wie Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit zu erklären..
Zum Beispiel werden sie durch Anwendung der kinetischen Theorie auf freie Elektronen in einem Metall so behandelt, als wären sie ein Gas..
Und unter der Annahme, dass Ionen ein unbewegliches Substrat bilden, ist es möglich, sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Wärmeleitfähigkeit von Metallen zu erklären. Obwohl in der klassischen Version dieses Modells die Wärmeleitfähigkeit freier Elektronen größer ist als die, die durch Messungen in leitenden Materialien erhalten wurde..
Der Nachteil wird gelöst, indem Quantenkorrekturen in das Freie-Elektronen-Modell eines leitenden Festkörpers eingeführt werden. Wenn angenommen wird, dass sie der Fermi-Dirac-Statistik folgen, stimmen die theoretischen Vorhersagen genauer mit den experimentellen Messungen überein..
Das Modell der freien Elektronen kann jedoch die Wärmeleitfähigkeit anderer Feststoffe als Metalle nicht erklären..
In diesem Fall muss die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Kristallgitter berücksichtigt werden, die durch ein periodisches Potential in der Schrödinger-Gleichung modelliert wird. Dieses Modell sagt energieabhängige Leitungsbänder von Elektronen voraus und erklärt die elektrische Leitfähigkeit in Halbleiterfestkörpern, einer Art festem Zwischenprodukt zwischen Isolator und leitendem Metall..
Die Festkörperphysik hat sich so weit entwickelt, dass sie die Entdeckung neuer Materialien wie z feste Nanomaterialien mit einzigartigen und außergewöhnlichen Eigenschaften.
Ein weiterer Beispielfall für die Weiterentwicklung der Festkörperphysik ist die Entwicklung zweidimensionaler oder einschichtiger Materialien, gefolgt von verschiedenen Anwendungen wie Photovoltaikzellen und der Entwicklung integrierter Halbleiterschaltungen..
Das klassische Beispiel für ein zweidimensionales Material ist das Graphen, Das ist nichts anderes als einschichtiger Graphit, der 2004 zum ersten Mal erhalten wurde.
Andere Beispiele für zweidimensionale Feststoffe sind: Phosphoren, Plumben, Silicen und Germacen.
Die Supraleitung wurde 1911 vom Niederländer Kamerlingh Onnes (1853-1926) entdeckt, als er leitfähige Materialien wie Quecksilber, Zinn und Blei sehr niedrigen Temperaturen (in der Größenordnung von 4 K) aussetzte..
Die Supraleitung hat wichtige technologische Anwendungen, wie z. B. Magnetschwebebahnen, solange sie bei erhöhten Temperaturen (idealerweise bei Raumtemperatur) erhalten werden kann..
Die Festkörperphysik ist auf der Suche nach Supraleitern, was bedeutet, dass eine hohe Temperatur über der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) liegt, eine relativ einfach und billig zu erreichende Temperatur. Bisher ist der Supraleiter mit der höchsten Temperatur ein keramischer Feststoff, der diesen Zustand bei einer Temperatur von 138 K oder -135ºC erreicht..
Stark korrelierte Feststoffe sind schwere fermionische Verbindungen mit ungewöhnlichen Eigenschaften und großem technologischen Potenzial. Zum Beispiel können sie manipuliert werden, um durch Magnetfelder von Isolatoren zu Leitern zu gelangen.
Die Entwicklung dieser Art von Festkörpern hat es auch ermöglicht, dass magnetische Informationsspeichergeräte in den letzten Jahrzehnten ihre Kapazität exponentiell erhöht haben..
Beispiele für Feststoffe.
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