Квантовая теория твердого тела
В предыдущей главе вы познакомились с квантовой теорией конденсированных сред. Физику твердого тела можно рассматривать как часть этой теории, описывающую физические свойства твердых тел с точки зрения их атомного строения.
Интенсивное развитие квантовой теории твердого тела началось в XX веке после открытия квантовой механики и было обусловлено широким кругом задач прикладного характера, в частности, внедрением полупроводниковой техники.
Почему же оно твердое?
Одной из ключевых дат в истории физики твердого тела можно считать 8 июня 1912 года, когда в Баварской академии наук в Мюнхене немецкий физик Макс фон Лауэ выступил с докладом «Интерференция рентгеновских лучей». В этой работе было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать, то есть огибать препятствия. Лауэ доказал, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. Но только в 1930-е годы в работах Гейзенберга, Паули, Борна были созданы основы квантово-механической теории твердого тела, что позволило объяснить и спрогнозировать интересные физические эффекты в твердых телах.
Однако по порядку. Твердое тело состоит из атомов. Мы уже знаем, что между атомами существуют не только интенсивные силы притяжения, связывающие их воедино, но и силы отталкивания, без которых между атомами не было бы промежутков. В результате таких взаимодействий атомы твердого тела частично теряют свои индивидуальные свойства, этим-то и объясняются новые, коллективные свойства системы атомов, которая и называется твердым телом.
Какова же природа этих сил? Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов, а их суммарная масса, как мы помним, значительно меньше массы ядра. Электрические, или, как говорят физики, кулоновские, силы, действующие между заряженными частицами, создают притяжение между ядром и электронами, ведь они имеют разный заряд, а также взаимное отталкивание между электронами, имеющими одинаковый — отрицательный заряд. Из этого следует, что твердое тело можно рассматривать как состоящее из системы взаимно отталкивающихся ядер и системы взаимно отталкивающихся электронов, причем обе эти системы притягиваются друг к другу. Физические свойства такого объекта определяются двумя фундаментальными физическими теориями — квантовой механикой и статистической механикой. И хотя характер взаимодействий между частицами известен, но их необычайно большое число не позволяет дать точное теоретическое описание твердого тела.
Твердое тело — это одно из четырех агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.
Соединение простого и сложного
Что же в этом случае делать? Физики — люди, привыкшие к идеализации, которую поставили во главу многих своих теорий. Вот и в физике твердого тела обычно принимают упрощенные модели твердого тела и затем проводят вычисления его физических свойств. С одной стороны, модели должны быть достаточно простыми, чтобы их можно было теоретически описать, и, с другой стороны, достаточно сложными, для того чтобы они обладали исследуемыми свойствами.
По сути, вся физика твердого тела сводится к установлению связи между свойствами отдельных атомов и молекул и свойствами, которые они обнаруживают при объединении в гигантские упорядоченные системы — кристаллы.
Физика твердого тела — один из тех столпов, на которых покоится современное технологическое общество. Целая армия инженеров работает над наилучшим использованием твердых материалов при проектировании и изготовлении самых разнообразных инструментов, станков, механических и электронных компонентов, необходимых в таких областях, как связь, транспорт, компьютерная техника, а также для фундаментальных исследований. Фактически физика твердого тела служит базой для физического материаловедения.
Физика твердого тела — раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твердых тел с точки зрения их атомного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалось широким спектром важных задач прикладного характера, в частности развитием полупроводниковой техники.