Фізика конденсованих середовищ

Фізика конденсованого стану- велика гілка фізики, що вивчає поведінку складних систем (тобто систем з великою кількістю ступенів свободи) з сильним зв'язком. Принципова особливість еволюції таких систем у тому, що її (еволюцію всієї системи) вдається «розділити» на еволюцію окремих частинок. «Розбиратися» доводиться з усією системою загалом. Як наслідок, часто замість руху окремих частинок доводиться розглядати колективні коливання. При квантовому описі ці колективні ступені свободи стають квазічастинками.

Фізика конденсованих середовищ - найбагатша область фізики як з погляду математичних моделей, так і з точки зору додатків до реальності. Конденсовані середовища з найрізноманітнішими властивостями зустрічаються всюди: звичайні рідини, кристали та аморфні тіла, матеріали зі складною внутрішньою структурою (до яких належать і м'які конденсовані середовища), квантові рідини (електронна рідина в металах, нейтронна - в нейтринних зірках, надплинні середовища, атомні ядра), спінові ланцюжки, магнітні моменти, складні мережі і т. д. Часто їх властивості бувають настільки складними і багатогранними, що доводиться попередньо розглядати їх спрощені математичні моделі. В результаті пошук і дослідження математичних моделей конденсованих середовищ, що точно вирішуються, став одним з найбільш активних напрямів у фізиці конденсованих середовищ.

Основні галузі дослідження:

  • м'яка конденсована речовина
  • сильно корельовані системи
    • спінові ланцюжки
    • високотемпературна надпровідність
  • фізика невпорядкованих систем

Wikimedia Foundation.

2010 .

    Дивитись що таке "Фізика конденсованих середовищ" в інших словниках:

    Фізика конденсованого стану велика гілка фізики, що вивчає поведінку складних систем (тобто систем з великою кількістю ступенів свободи) із сильним зв'язком. Принципова особливість еволюції таких систем полягає в тому, що її ... Вікіпедія

    Наука, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні закономірності явищ природи, св ва і будову матерії та її рухи. Поняття Ф. та її закони лежать в основі всього природознавства. Ф. відноситься до точних наук і вивчає кількостей. Фізична енциклопедія

    - (Греч. ta physika від physis природа), наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні властивості матеріального світу. По об'єктах, що вивчаються, фізика підрозділяється на фізику елементарних частинок, атомних ядер, атомів, молекул, ... Великий Енциклопедичний словник

    I. Предмет і структура фізики Ф. - наука, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні закономірності явищ природи, властивості та будову матерії та закони її руху. Тому поняття Ф. і все закони лежать в основі всього ... Велика Радянська Енциклопедія

    І; ж. [від грец. physis природа] 1. Наука, що вивчає загальні закономірності явищ природи, властивості та будову матерії та закони її руху. Теоретична ф. // Навчальний предмет, що викладає цю науку. Вчитель фізики. 2. Чого. Будова, загальні. Енциклопедичний словник

    Фізика- (Гр. Природа) наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні властивості матеріального світу. По об'єктах, що вивчаються, підрозділяється на фізику: елементарних частинок, атомних ядер, атомів, молекул, твердого тіла, плазми і т.д. До… … Концепція сучасного природознавства. Словник основних термінів

    - (грец. ta physika, від physis природа), наука про природу, вивчає найпростіші разом із тим наиб. загальні характеристики матеріального світу. По об'єктах, що вивчаються, підрозділяється на Ф. елементарних частинок, атомних ядер, атомів, молекул, тв. тіла, плазми та … Природознавство. Енциклопедичний словник

    Статистична фізика … Вікіпедія

    Колайдер Теватрон і кільця Головного інжектора Квантова фізика розділ теоретичної фізики, в якому вивчаються квантово-механічні та квантово-польові системи та закони їх руху. Основні закони ... Вікіпедія

Книги

  • Загальна фізика конденсованого стану, Мейліхов Євген Залманович. Навчальний посібник є частиною курсу загальної фізики для її спеціальної області (фізики конденсованого стану). Керівництво передбачає знання в межах програм з фізики та математики.
  • Фізика твердого тіла для інженерів Навчальний посібник, Гуртов В., Осауленко Р.. Навчальний посібник є систематизованим і доступним викладом курсу фізики твердого тіла, що містить основні елементи фізики конденсованого стану та її застосування для…

Типове конденсоване середовище це коли є дуже багато частинок, і при цьому кожна частка "живе" не своїм окремим життям і навіть не в парі з сусідом, а в "мирі та злагоді" з цілим набором найближчих сусідів.

Шкільні приклади конденсованих середовищ: тверде тіло (наприклад, кристал) та рідини. Більш екзотичні середовища: електронне та інші квантові рідини , надплинний гелій , рідкі кристали, різноманітні дисперсні системи(гелі, пасти, емульсії, суспензії), нейтронна матерія , кварк-глюонна плазма. Ну і нарешті,натовп людей у ​​стані паніки

, щільний потік автомашин на дорогах, і та складна комп'ютерна мережа, яку ми називаємо інтернетом, це все теж приклади конденсованих середовищ.

Чому фізика конденсованих середовищ така цікава та активна галузь досліджень? Справа в тому, що через те, що рух кожної окремої частинки в конденсованому середовищі сильно скорелювали з рухом багатьох сусідів;

рівняння, що описують рух частинок, сильно "переплетені" між собою. У вас не вийде, наприклад, вирішити спочатку рівняння руху першої частки, потім другої і т.д.

Вирішувати треба відразу всі рівняння руху, для мільярдів, квінтильйонів тощо. окремих частинок. Такі системи рівнянь не те щоб вирішити, а навіть уявити непросто. Така ситуація наганяє зневіру, чи не так?Але теорфізики народ образливий, і потихеньку вони навчилися описувати такі неймовірно складні на перший погляд системи. (Насправді, на мою думку, усвідомлення цього глухого кута і спроби вийти з нього і є моментом народження справжньої теоретичної фізики; але про це я напишу якось пізніше.)Найвідоміший приклад того, як вирішити одразу трильйони рівнянь, це історія з фононами. Уявіть собі, що у нас є кристал. Кожен атом у ньому відчуває кілька найближчих сусідів, причому дуже і дуже сильно.Один атом сам по собі вагатись не може, він обов'язково потягне за собою своїх сусідів. В результаті, "похитаючи" окрему частинку, ми відразу залучаємо в рух і її безпосередніх сусідів, так що через деякий час вся речовина, всі частинки почнуть рухатися. кристалічних ґратнагадує синусоїдальну хвилю, що біжить, то все стає вражаюче просто. Окремі фонони, виявляється, живуть незалежним життям: вони можуть "бігати" кристалом довгий час, проходити один крізь одного. Отже, рівняння, що описують кожен окремий фонон, вирішуються незалежно і тому вліт.

Звичайно, це все справедливо для ідеального кристала, коли грати строго періодична, коли немає дефектів, коли межі кристала не впливають на його внутрішнє життя, і нарешті коли коливання можна вважати лінійними (що тягне за собою невзаємодія фононів).

Реальні кристали не такі, і тому описані вище властивості для нього виконуються не суворо, а лише приблизно. Але і це буває цілком достатньо, щоб пояснити багато явищ, що відбуваються в кристалі.

Безумовно, можна заперечити, що, мовляв, у реальності ми маємо коливання атомів, а ніякі не фонони. Але, скажімо, при описі термодинамічних властивостей кристала найпростіше сприймати його саме як газ фононів. І мені, відверто кажучи, невідомо, чи можна побудувати всю статфізику кристала, жодного разу не звертаючись до концепції фононів.Насправді, перехід від окремих атомів до фононів є ніщо інше, як

перетворення Фур'є

від координат до (квазі) імпульсів.

На відміну від газоподібного стану, речовина в конденсованому стані існує впорядкованість у розташуванні частинок (іонів, атомів, молекул). Кристалічні тверді тіла володіють високим ступенем упорядкованості - далеким порядком у розташуванні частинок. Частинки рідин та аморфних твердих тіл розташовуються більш хаотично, їм характерний ближній порядок. Властивості речовин у конденсованому стані визначаються їхньою структурою та взаємодією частинок.

      1. Аморфні сполуки

Аморфні сполуки крім високоеластичного можуть перебувати у двох інших фіз. станах: склоподібному стані та в'язко-плинному стані. високомолекулярні сполуки, які переходять з високо-еластичного стану в склоподібний при температурах нижче за кімнатну, відносять до еластомерів, при вищій температурі до пластиків. Кристалічні високомолекулярні сполуки є пластиками.

      1. Кристали та їх види

Кристали- від грец.κρύσταλλος, спочатку - лід, надалі - Горний кришталь, Кристал) -тверді тіла, в яких атоми розташовані закономірно, утворюючи тривимірно-періодичне просторове укладання - кристалічну решітку.

Кристали - це тверді речовини, що мають природну зовнішню форму правильних симетричних багатогранників, засновану на їх внутрішній структурі, тобто на одному з декількох певних регулярних розташування складових речовин (атомів, молекул, іонів).

Види кристалів

Слід розділити ідеальний та реальний кристал.

Ідеальний кристал

Є, власне, математичним об'єктом, мають повну, властиву йому симетрію, ідеалізовано рівні гладкі грані тощо.

Реальний кристал

Завжди містить різні дефекти внутрішньої структури решітки, спотворення та нерівності на гранях і має знижену симетрію багатогранника внаслідок специфіки умов зростання, неоднорідності живильного середовища, пошкоджень та деформацій. Реальний кристал не обов'язково має кристалографічні гранями і правильною формою, але в нього зберігається головна властивість - закономірне становище атомів у кристалічній решітці.

Основна відмітна ознака кристалів - властива їм властивість анізотропії, тобто залежність їх властивостей від напрямку, тоді як в ізотропних (рідинах, аморфних твердих тілах) або псевдоізотропних (полікристали) тілах властивості від напрямків не залежать.

      1. Властивості кристалів в залежності від виду хімічних зв'язків

Типи хімічних зв'язків у кристалах. Залежно від природи частинок та від характеру сил взаємодії розрізняють чотири види хімічного зв'язку в кристалах: ковалентну, іонну, металеву та молекулярну.

Типи хімічного зв'язку – це зручне спрощення. Точніше поведінка електрона в кристалі описується законами квантової механіки. Говорячи про тип зв'язку в кристалі, необхідно мати на увазі наступне:

    зв'язок між двома атомами ніколи не відповідає одному з описаних типів. В іонному зв'язку завжди є елемент ковалентного зв'язку тощо.

    у складних речовинах зв'язок між різними атомами може бути різного типу. Так, наприклад, в кристалі білка зв'язок в молекулі білка ковалентна, а між молекулами (або різними частинами однієї молекули) воднева.

Фізика конденсованого середовища- широка область фізики, що вивчає поведінку складних систем (тобто систем з великою кількістю ступенів свободи) із сильним зв'язком між складовими частинками. Принципова особливість еволюції таких систем у тому, що її (еволюцію всієї системи) вдається розділити на еволюцію окремих частинок. Тому доводиться аналізувати поведінку всієї системи загалом. Як наслідок, часто замість руху окремих частинок розглядаються розглядати колективні коливання. При квантовому описі ці колективні ступені свободи стають квазічастинками.

Фізика конденсованого середовища - одна з найбагатших областей сучасної фізики як з точки зору математичних моделей, так і з точки зору застосування в прикладних областях. Конденсовані середовища з найрізноманітнішими властивостями зустрічаються всюди: звичайні рідини, кристали і аморфні тіла, матеріали зі складною внутрішньою структурою (до яких належать і м'які конденсовані середовища), квантові рідини (електронна рідина в металах, нейтронна - в нейтронних зірках, надтекучі середовища, атомні ядра), спінові ланцюжки, магнітні моменти, складні мережі тощо. Часто властивості бувають настільки складні та багатогранні, що доводиться попередньо розглядати спрощені математичні моделі. У результаті пошук і дослідження точно розв'язуваних математичних моделей конденсованих середовищ став одним із найактивніших напрямків у фізиці конденсованих середовищ.

Основні галузі досліджень:


Література

? ?

Для того щоб зріджувати газ, необхідно охолодити його нижче критичної температури Т кр. У другому стовпці таблиці 7.8.1 наведено значення критичної температури деяких газів. Як видно з таблиці, переведення таких газів, як кисень, азот, водень ігелій, рідкий стан вимагає сильного зниження їх температури. Один із промислових методів зрідження газів (метод Лінде) використовує для охолодження газу ефект Джоуля – Томсона.

Таблиця 7.8.1

На рис. 7.8.1 дана принципова схема методу Лінде. Стиснутий компресором Догаз проходить через холодильник X,в якому охолоджується до температури, що лежить нижче від точки інверсії. Це потрібно для того, щоб при подальшому розширенні газ внаслідок ефекту Джоуля-Томсона не нагрівався, а охолоджувався. Потім газ тече по внутрішній трубці теплообмінника Т.О.і, пройшовши через дросель Др(виконує самі функції, як і ватний тампон у досвіді Джоуля- Томсона), сильно розширюється і охолоджується.

Теплообмінник складається з двох довгих трубок різних діаметрів, вставлених одна в одну (для скорочення розмірів теплообмінника обидві трубки звиваються в спіраль). Стінки внутрішньої трубки робляться теплопровідними. Зовнішня трубка покривається тепловою ізоляцією. Якщо по трубках пустити зустрічні потоки газів, що мають на вході різну температуру, то в результаті теплообміну через стінки внутрішньої трубки температура газів вирівнюватиметься: газ, що мав на вході в теплообмінник вищу температуру, у міру проходження теплообмінника охолоджується, зустрічний потік нагрівається. Відразу після запуску установки зниження температури газу при розширенні мало для того, щоб викликати зрідження газу. Газ, що злегка охолодився, направляється по зовнішній трубці теплообмінника, чим досягається деяке охолодження газу, поточного по внутрішній трубці у напрямку до дроселя. Тому кожна наступна порція газу, що надходить до дроселя, має нижчу температуру, ніж попередня. Разом з тим, що нижча початкова температура газу, то більше знижується його температура за рахунок ефекту Джоуля - Томсона. Отже, кожна наступна порція газу має до розширення нижчу температуру, ніж попередня, і крім того охолоджується при розширенні сильніше. Таким чином, досягається все більшого зниження температури газу в збірнику. Сбі, нарешті, температура знижується настільки, що частина газу після розширення конденсується в рідину.

Другий промисловий метод зрідження газів (метод Клода) заснований на охолодженні газу під час ним роботи. Стиснутий газ прямує до поршневої машини (детандер), де він, розширюючись, здійснює роботу над поршнем за рахунок запасу внутрішньої енергії. Внаслідок цього температура газу знижується. Цей метод було вдосконалено радянським фізиком П. Л. Капіцей, який замість поршневого детандера застосував для охолодження газу турбодетандер, тобто. турбіну, що приводиться в обертання попередньо стислим газом.

Рідкі гази з низькою температурою кипіння зберігаються в судинах спеціальної конструкції, які називаються судинами Дьюара. Вони мають подвійні стінки, зазор між якими ретельно евакуюється. В умовах вакууму теплопровідність газу зменшується зі зменшенням тиску. Тому евакуіро

Розділ VIII. Конденсовані середовища.