Laboratoria fizyki
materii skondensowanej
chomikuj.pl/Majster1942
Fizyka materii
skondensowanej
Fizyka materii skondensowanej to dział fizyki
zajmujący się makroskopowymi własnościami
fizycznymi materii.
W szczególności fizyka materii skondensowanej
zajmuje się fazą skondensowaną materii, czyli
sytuacjami, w których liczba składników układu
jest bardzo duża oraz oddziaływania pomiędzy
składnikami są silne. Najbardziej znanymi
przykładami materii skondensowanej są ciała stałe
oraz ciecze, gdzie o kształcie układu decydują
oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy
atomami i/lub cząsteczkami wchodzącymi w skład
układu. Bardziej egzotycznymi fazami są stan
nadciekły, kondensat Bosego-Einsteina,
nadprzewodniki pierwszego i drugiego rodzaju,
ferromagnetyk i antyferromagnetyk.
Fizyka materii skondensowanej jest
największym działem współczesnej fizyki.
Wyrosła bezpośrednio z fizyki ciała stałego,
która jest uważana obecnie za główną gałąź
fizyki materii skondensowanej. Sam termin
fizyka materii skondensowanej został
zaproponowany przez Philipa Andersona oraz
Volkera Heinego.
Fazy:
• Gaz –
stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo
zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń.
Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie
gazowej mają pełną swobodę ruchu.
• Ciecz
– stan skupienia materii – pośredni między ciałem
stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia
objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz
przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w
przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je
całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa
się powierzchnią swobodną cieczy.
• Ciało stałe
- rodzaj fazy skondensowanej, każda
substancja, która nie jest płynna, czyli nie może samoistnie
zmieniać swoich kształtów i rozmiaru
Półprzewodniki
• Półprzewodniki - najczęściej
substancje krystaliczne,
których konduktywność
(zwana też konduktancją
właściwą) jest rzędu 10-8 do
106 S/m (simensa na metr), co
plasuje je między
przewodnikami a
dielektrykami.
• Wartość rezystancji
półprzewodnika maleje ze
wzrostem temperatury.
Półprzewodniki posiadają
pasmo wzbronione między
pasmem walencyjnym a
pasmem przewodzenia
Nadprzewodnictwo
• Nadprzewodnictwo – stan
materiału polegający na
zerowej rezystancji,
osiągany w niskiej
temperaturze.
• Nadprzewodnictwo zostało
wykryte w 1911 przez
Kamerlingha Onnesa[1]. Jest
to zjawisko kwantowe,
niemożliwe do wyjaśnienia
na gruncie fizyki klasycznej.
Poza zerową rezystancją
inną ważną cechą
nadprzewodników jest
wypychanie ze swej
objętości pola
magnetycznego
Półmetale
• Półmetale (metaloidy) - dawniej pierwiastki
chemiczne, które mają własności pośrednie
między metalami i niemetalami. Zalicza się do
nich: antymon, arsen, astat, bor, german, krzem,
tellur, polon i czasami także selen i glin, w
niektórych podręcznikach także węgiel mający
najwyższą temperaturę topnienia z dotychczas
poznanych pierwiastków i fosfor (tworzący
odmianę czarną o właściwościach fizycznych
przypominających metal).
Dielektryk
• Dielektryk, izolator elektryczny
– materiał, w którym bardzo
słabo przewodzony jest prąd
elektryczny. Może to być
rezultatem niskiej koncentracji
ładunków swobodnych, niskiej
ich ruchliwości, lub obu tych
czynników równocześnie.
Oporność właściwa
dielektryków jest większa od
106 Ωm (dla dobrych
przewodników, np. metali,
wynosi 10−8–10−6 Ωm).
Przewodniki elektryczne
• Przewodnictwo elektryczne - to zjawisko skierowanego
przenoszenia ładunków elektrycznych przez dodatnie lub ujemne
nośniki prądu (np. elektrony, jony) w ośrodku pod wpływem
przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. Zależnie od
natury fizycznej ładunków wytwarzających prąd elektryczny
wyróżnia się następujące rodzaje przewodnictwa elektrycznego:
• elektronowe,
• dziurowe,
• jonowe,
• domieszkowe
• mieszane.
• Ponadto przewodnictwo elektryczne można
• podzielić na:
• samoistne,
• niesamoistne.
Plazmon
• Plazmon jest kwazicząstką opisującą
kwant drgań oscylacji plazmy. Są to
kolektywne oscylacje gazu
elektronów swobodnych.
• Plazmony mają duży wpływ na
właściwości optyczne metali.
Światło o częstotliwości poniżej
częstotliwości plazmowej jest
odbijane, ponieważ elektrony z
metalu ekranują pole elektryczne
światła, powyżej tej częstotliwości
plazmowej elektrony nie nadążają
za zmianami pola
elektromagnetycznego i wnika ono
głębiej do metalu.
Ciekły kryształ
• Ciekłe kryształy – nazwa fazy
pośredniej między ciekłym i
krystalicznym stanem skupienia
materii, którą charakteryzuje zdolność
do płynięcia, charakterystyczna dla
cieczy i jednocześnie daleko
zasięgowe uporządkowanie
tworzących ją cząsteczek, podobnie
jak to ma miejsce w kryształach.
Koloid
• Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy,
roztwór koloidalny) – niejednorodna
mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca
układ dwóch substancji, w którym jedna z
substancji jest rozproszona w drugiej.
Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji
rozproszonej jest tak duże, że fizycznie
mieszanina sprawia wrażenie substancji
jednorodnej, jednak nie jest to
wymieszanie na poziomie pojedynczych
cząsteczek.
Fizyka cząstek nie jest
oczywiście jedynym
rozwijającym się tak
efektownie działem fizyki,
choć tu buduje się
największe urządzenia
badawcze.