Физике твердого тела

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ  НЕФТИ И ГАЗА

 

Кафедра физики, методов контроля и диагностики

направление 200102 "Приборы и методы контроля качества и диагностики" 
 
 
 
 
 
 

Реферат

по «Физике  твердого тела» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                    Выполнил:

студент группы ПМК-09

Овденко Тимофей

                                                              Проверил:

к.ф.-м.н., доцент, преподаватель

Федоров Борис Владимирович 
 
 
 
 

Тюмень 2011 

Содержание: 
 

1. Введение…………………………………………………………………………….......стр. 3
2. Фазовые превращения………………………………………………………………..стр. 5

2.1    Понятие фазовых  превращений…………………………………………...стр. 5

2.2    Правило рычага……………………………………………………………..стр. 6

3.   Сплавы………………………………………………………………………………….стр. 8

            3.1    Общие  сведения о сплавах…………………………………………………стр. 8

            3.2    Сплавы полупроводников…………………………………………………стр. 9

            3.3    Сплавы  типа растворов  внедрения……………………………………...стр. 11

4.    Фазовые диаграммы…………………………………………………………..........стр. 13

1.    Понятие фазовой диаграммы……………………………………………..стр.13
2.    Равновесная фазовая диаграмма………………………………………...стр. 14
3.    Фазовая диаграмма двухкомпонентного сплава………………………стр. 14
4.    Фазовые диаграммы эвтектического типа……………………………..стр. 16
5.    Фазовые диаграммы перитектического типа………………………….стр. 17

5.     Список литературы………………………………………………………………...стр. 19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Физика твёрдого тела — раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалась широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.

В настоящее  время физика твёрдого тела разбилась на большое количество более мелких направлений.

     А теперь немного углубимся в историю.

     Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее одиннадцатого века нашей эры. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в Сёсоине, сокровищнице японских императоров в Нара. Кристаллом называли вначале только лёд, 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. 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 известно, 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, суть 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 сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным 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. 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.

     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.

     В 30-e годы XX века работами В. Гейзенберга, Паули, М. Бopна были созданы основы квантово-механической теории твердого тела, что позволило объяснить и прогнозировать интересные физические эффекты в твердых телах. Ускоряли формирование физики твердого тела потребности нарождающейся твердотельной электроники в новых сверхчистых материалах. Здесь можно указать важнейшее событие - открытие в 1948 г. У.Шокли, У.Браттейном и Дж. Бардином усилительных свойств транзистора.

     В настоящее время методы и теория твердого тела, развитые для описания свойств и структуры монокристаллов, широко применяются для получения и исследования новых материалов: композитов и наноструктур, квазикристаллов и аморфных твердых тел. Физика твердого тела служит основой для изучения явлений высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского магнетосопротивления и многих других перспективных современных наукоемких технологий.

     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. Реальные кристаллы и аморфные твердые тела значительно сложнее, но эффективность и полезность простых моделей едва ли можно переоценить. Предметом данной области науки являются, прежде всего, свойства веществ в твердом состоянии, их связь с микроскопическим строением и составом, эвристическое прогнозирование и поиск новых материалов и физических эффектов в них. Фактически физика твердого тела служит базой для физического материаловедения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Фазовые превращения 

      Понятие фазовых превращений 

     Каждое  вещество в зависимости от внешних условий - температуры и давления - может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. При подводе или отводе теплоты меняется форма связи между молекулами, вызывая тем самым изменение вещества, т. е. происходит фазовое превращение. Для получения холода используют фазовые превращения, протекающие при низких температурах с поглощением теплоты из охлаждаемой среды. К ним относятся плавление, кипение и сублимация.

     Плавление. Процесс перехода вещества из кристаллического состояния в жидкое с поглощением теплоты называют плавлением (например, при нагревании водного льда его температура повышается до температуры 0 ^оС, дальнейшее нагревание ведет к его плавлению). Температура плавления зависит от вида тела и внешних условий (давления). Для каждого тела существует своя постоянная температура плавления, и, как уже отмечалось выше, для водного льда при атмосферном давлении она составляет 0 ^оС. Этот способ искусственного охлаждения широко применяют на практике, в частности при охлаждении продуктов в бытовых холодильниках, на хладотранспорте и т. д.

     Процесс перехода жидкости в твердое состояние  при постоянной температуре плавления  называют отвердеванием. Данный процесс  осуществляется при отводе теплоты  от жидкости, когда температура жидкости снижается начала отвердевания, равной температуре плавления.

     Более низкие температуры плавления получают при охлаждении льда солеными смесями, например смесью хлорида натрия со льдом. Это позволяет получить температуру -21,2 ^оС (при массовой доле соли 23,1%).

     Наиболее  низкая температура для данных компонентов смеси (например, соль + вода) называется эвтектической или криогидратной. При данной постоянной температуре происходит кристаллизация смеси.

     Эвтектические растворы применяют для охлаждения продуктов на автомобильном транспорте и т. д. Емкости с эвтектическими растворами называют зероторами или эвтектическими аккумуляторами.

     Испарение. Процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости при различных температурах, называют испарением. Данный процесс используют при испарении воды в водоохлаждающих устройствах (градирни, брызгательные бассейны или испарительные конденсаторы). При атмосферном давлении и температуре 0 ^оС скрытая теплота r испарения воды составляет 2509 кДж/кг.

     Кипение. Процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объему жидкости в результате поглощения теплоты окружающей среды, называют кипением. При постоянном давлении температура кипения для данного вещества постоянна и зависит от давления паров над жидкостью. Уменьшение давления приводит к снижению температуры жидкости вплоть до ее замерзания. Процесс кипения жидкости при низкой температуре - один из основных в парокомпрессионных холодильных машинах, где кипит хладагент. Аппарат, в котором происходит кипение, называют испарителем. В испарителе осуществляется отвод теплоты от окружающей среды, а кипящая жидкость переходит в парообразное состояние.

     Количество  теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости, взятой при температуре  кипения, в пар, называют скрытой  теплотой парообразования r или удельной теплотой парообразования. С повышением давления кипения жидкости скрытая теплота парообразования уменьшается.

     Сублимация. Процесс перехода тела из твердого состояния в парообразное, минуя промежуточное жидкое состояние, называют сублимацией. В качестве рабочего тела для охлаждения объектов наиболее широко применяют твердый диоксид углерода СО2  (сухой лед). Температура сублимации СО2  при атмосферном давлении равна -78,9 ^оС, теплота сублимации -574 кДж/кг.  

     Конденсация. Процесс превращения насыщенного пара в жидкость, сопровождающийся отводом выделяемой теплоты, называют конденсацией. Температура конденсации зависит от давления. Конденсация жидкости из насыщенного пара - один из основных рабочих процессов в холодильных машинах - осуществляется в аппаратах, называемых конденсаторами.