حالت جامد یکی از گسترده‌ترین شاخه‌های فیزیک است. این شاخه دربارهٔ چگونگی تشکیل مواد با در نظر گرفتن تمام جزییات حاکم بر طرز قرار گرفتن اتم‌ها بحث می‌کند. خواص فیزیکی هرگونه جسم فیزیکی (فلز یا غیر فلز)، مورد بحث این شاخه است.

در بحث حالت جامد، اجسام به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1. رسانا
2. نیمرسانا
3. نارسانا
4. ابررسانا

یکی از موضوعات مورد بحث و عمده فیزیک حالت جامد بحث در مورد بلورها بخصوص بلور الماس است. در فیزیک جامدات بلور یا کریستال الماس به دلیل دارا بودن خواص ترکیبی و پیوند خاص بین اتمی (پیوند کووالانس) یکی از سخت‌ترین بلورهای موجود در دنیا به شمار می‌رود. از دیگر مسائلی که در فیزیک حالت جامد روی آن‌ها بحث می‌شود عبارت‌اند از: بردارهای پایه، سلول اولیه (primitive cell)، کسر به هم پکیدگی، تفرق اشعهٔ x

به علت گسترش سریع فیزیک حالت جامد و کاربردهای آن، در سال ۱۹۷۸ جامعه فیزیک آمریکا رای به تغییر نام بخش خود از فیزیک حالت جامد (DSSP) به بخش فیزیک ماده چگال داد و از آن پس فیزیک حالت جامد به زیر مجموعه فیزیک ماده چگال منتقل شد.

دید کلی

فیزیک حالت جامد ، چنان که از نام آن پیداست، فیزیک مواد جامد است. ولی امروزه غالبا اصطلاحفیزیک ماده چگال نیز بکار برده می‌شود، چرا که این نامگذاری ، مطالعه مایعات به ویژه فلزات مایع و نمکهای مذاب ، محلولها ، بلورهای مایع و حتی مواد گلیسرین را در بر می‌گیرد.

از دیدگاه امروزی ما ، فیزیک حالت جامد در واقع فیزیک جامدات بلورین است. بیشتر جامدات غیر آلی که در زندگی روزمره ، با آنها سروکار داریم، بلوری هستند و از استثناهای آشنا می‌توان از شیشه که یک مایع ابر سرد و دود ، که آمورف است، نام برد. ولی مواد آمورف مهمتر از دوده نیز وجود دارد.

تاریخچه

در پی کشف اشعه ایکس ، توسط فیزیکدان آلمانی و یلهلم کونراد رونتگن Rontgen در 10 نوامبر 1895 و به دنبال آن ، کشف پراش پرتوهای x و انتشار یک سری محاسبات و پیش بینیهای ساده و موفقیت آمیز در مورد ویژگیهای بلورین ، بررسی فیزیک حالد جامد بعنوان گسترش از فیزیک اتمی آغاز شد. به دلیل تاثیر متقابل و سودمند تجربه و نظریه بر یکدیگر ، یک تحریک عقلانی در فیزیک حالت جامد وجود دارد. و تعداد جوایز نوبل در دهه گذشته شاهدی بر این ادعاست. در سراسر دنیا تعداد فیزیکدانانی که بطور مفید در زمینه فیزیک حالت جامد به کار مشغولند، بیشتر از سایر رشته‌هاست.

حوزه عمل

حوزه عمل فیزیک حالت چنان است که سراسر زندگی ما را فرا گرفته است. انواع وسایل از قبیل کتابها ، صندلی ، مداد پاکن پلاستیکی ، مداد و … ، در محیط اطراف ما قرار دارند ، که همه این وسایل را انسان برای آسایش و رفاه و یا زیبایی و استحکام بر گزیده است. هر کدام از این مواد جامددارای رنگ مشخص بافت ، استحکام ، سختی ، چکش خواری است و رسانندگی الکتریکی ، رسانندگی گرمایی ، پذیرفتاری مغناطیسی و نقطه ذوب قابل اندازه گیری دارند.

هر جسم دارای طیف های جذبی و نشری مشخصی در ناحیه مریی ، فروسرخ و فرابنفش از طیف الکترومغناطیسی است. اما در حالت کلی می‌توان گفت که همه این ویژگیها تابع دو جنبه ساختار مواد است. نوع اتمها یا مولکلهایی که ماده از آنها ساخته شده است، و چگونگی پیوند یا کپه شدن آنها برای تشکیل جسم جامد. این وظیفه دشوار فیزیک حالت جامد یا شیمی فیزیک است که بکوشد تا ساختار مواد را به ویژگیهای فیزیکی یا شیمیایی مشاهده شده آنها ربط دهد.

چرا تعداد افراد متخصص در فیزیک حالت جامد کم است؟

روشن است که فیزیک حالت جامد موضوع بسیار گسترده‌ای است و زمینه‌های جالب و مشخصی را در بر می‌گیرد که در هر یک از آنها ، بعنوان مثال مغناطیس ، می‌توان به آسانی بحث را به مسایل تخصصی کشاند. پژوهشگران فیزیک حالت جامد در دنیا از هر رشته دیگر فیزیک بیشترند.

گستردگی موضوع از یک طرف جالب بوده و از طرف دیگر تولید اشکال می‌کند. جالب بودن آن در این است که گستره وسیعی از پدیده‌های شاخص را برای مطالعه و پژوهش عرضه می‌کند و اشکال آن در گستردگی هر موضوع است که ، برای هر کس مشکل است که از همه آنها آگاهی پیدا کند. از این رو تعداد افراد متخصص در فیزیک جامد اگر چنین متخصصانی باشند کم است.

انگیزه مطالعه فیزیک حالت جامد

ابتدا اینکه فیزیک حالت جامد بخش جدایی ناپذیری از فیزیک است و تا جایی که فیزیک را یک پیشه ارزشمند فرهنگی و علمی بدانیم، فیزیک حالت جامد نیز چنین است. اما انگیزه دیگری که در گسترش فیزیک حالت جامد نقش داشته ، آن است که این رشته بطور گسترده‌ای با خواص ماده به شکل کپه‌ای طبیعی‌اش سر و کار دارد. به این معنی که بطور مثال یک پژوهشگر فیزیک جامد ، مسرا دقیقاً به همان صورتی که در اتصالهای معمولی الکتریکی بکار می‌رود، بصورت فلز مس مطالعه می‌کند.

افزون بر این پدیده هایی مورد توجه فیزیک حالت جامد است که اغلب در فناوری از آن استفاده می گردد. تردیدی نیست که فناوری از گسترش پژوهش در فیزیک جامد بهره های فراوان برده است. شاید از بدیهی ترین زمینه های پیشرفت بتوان از الکترونیک به ویژه کاربرد اجسام نیم رسانا در ساختنقطعات حساس الکتریکی مانند ترانزیستور ، دیود و … نام برد. بنابراین فناوری نوین بیشتر بر پایه کاربرد پدیده‌های حالت جامد قرار دارد.

 

فهرست مطالب:

فصل اول: ساختار بلوری

آرایه های دوره ای اتم ها

پایه و ساختار بلوری

بردارهای انتقال شبکه

یاخته بسیط شبکه

عملهای تقارنی

انواع شبکه های دو بعدی

انواع شبکه های سه بعدی

دستگاه شاخص گذاری صفحات بلور

ساختار سدیم کلرید

ساختار سزیوم کلرید

ساختار تنگ پکیده شش گوشی

ساختار الماسی

ساختار مکعبی روی سولفید

ساختار شش گوشی روی سولفید (وورتسایت)

شیشه ها

و…

فصل دوم: پراش توسط بلور و شبکه وارون

باریکه فرودی

پراش توسط بلور و شبکه وارون

قانون براگ

تابع چگالی الکترونی

روش لاوه

روش بلور چرخان

نوترونها

پرتوهای x

روش پودری

تحلیل فوریه

به دست آوردن رابطه ای برای دامنه موج پراکنده شده

شرایط پراش

بردارهای شبکه وارون

منطقه های بریلوئن

شبکه وارون

شرایط پراش

شبکه وارون شبکه خطی

شبکه وارون شبکه bcc

شبکه وارون شبکه fcc

عامل ساختار شبکه bcc

عامل ساختار شبکه fcc

وابستگی خطوط باز تاب به دما

و…

فصل سوم: بستگی بلور

بستگی بلور

بلورهای گازهای بی اثر

برهمکنش وان دروالس – لندن

برهمکنش دفعی

پتانسیل لنارد – جونز

ثابتهای شبکه د رحالت ترازمندی

انرژی همدوسی

تراکم پذیری و مدول حجمی

بلورهای یونی

انرژی الکتروستاتیکی یا انرژی مادلونگ

بلورهای کووالان

بلورهای فلزی

بلورهای با بستگی هیدروژنی

و…

فصل چهارم: فونون ها: ارتعاشات شبکه

ارتعاشهای شبکه ها

ارتعاشهای بلور یک بعدی – یک اتم در یاخته بسیط

محدوده بردار موجهای مستقل برای توصیف کامل ارتعاشهای فیزیکی شبکه

سرعت گروه در مرز های منطقه اول بریلوئن ود ر K≈0

شاخه های طولی و عرضی در منحنی پاشندگی

ارتعاشهای بلور یک بعدی – دواتم با جرمهای متفاوت در یاخته

شاخه های صوتی و نوری منحنی پاشندگی

ارتعاش شبکه بلورهای سه بعدی با پایه چند اتمی

کوانتش انرژی ارتعاشهای شبکه – فونونها

تکانه فونون

اندازه گیری تجربی رابطه پاشندگی فونونها

و…

فصل پنجم: فونون ها: ویژگی های گرمایی

ظرفیت گرمایی شبکه

توزیع پلانک

مدل انیشتین

چگالی مدها در یک بعد

چگالی مدها د رسه بعد

مدل دبی در مورد ظرفیت گرمایی شبکه

برهمکنش های ناهماهنگ در بلور

رسانندگی گرمایی

مقاومت گرمایی شبکه

فرایندهای واگرد

و…