Fysische eigenschappen in vaste toestand, structuur, voorbeelden

De fysica in vaste toestand is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de studie van materie wanneer deze zich in een lage energietoestand bevindt, genaamd vaste toestand, door gebruik te maken van fysische theorieën zoals kwantummechanica, statistische fysica, thermodynamica, elektromagnetisme en kristallografie.

In de vaste toestand is de intermoleculaire aantrekkingsenergie minder dan de thermische energie, daarom kunnen de moleculen nauwelijks rond min of meer vaste posities trillen. Sommige vaste stoffen zijn amorf op moleculair niveau, terwijl andere een meer geordende structuur hebben, zoals kristallen..

Enkele voorbeelden van vaste materialen zijn kiezelzand, glas, grafiet (minerale steenkool), keukenzout, geraffineerde suiker, ijzer, koper, magnetiet, kwarts en nog veel meer.

Artikel index

• 1 Solid State-kenmerken
• 2 Macroscopische en microscopische eigenschappen
• 3 Structuur van vaste stoffen
  • 3.1 Modellen van vaste fysica en hun eigenschappen
• 4 Solid State-voorbeelden
  • 4.1 Hoge temperatuur supergeleiders
  • 4.2 Sterk gecorreleerde vaste stoffen
• 5 Interessante onderwerpen
• 6 referenties

Solid state kenmerken

Vaste materialen hebben als belangrijkste kenmerk dat ze onder normale omstandigheden, dat wil zeggen als ze niet aan grote externe spanningen worden blootgesteld, hun volume en vorm behouden..

Dit in tegenstelling tot vloeistoffen die, hoewel ze hun volume kunnen behouden, hun vorm veranderen door zich aan te passen aan de container waarin ze zich bevinden. Het contrast is zelfs nog groter met gassen, omdat ze kunnen worden gecomprimeerd of vergroot door hun volume en vorm te veranderen..

Vaste stoffen kunnen echter hun volume variëren wanneer ze worden onderworpen aan temperatuurveranderingen die breed genoeg zijn om opmerkelijke effecten te hebben, maar zonder een faseovergang naar een andere toestand van materie..

Vaste stoffen kunnen amorf zijn in hun interne moleculaire structuur. Glas is bijvoorbeeld een amorf materiaal, dat door velen zelfs als een te koude vloeistof wordt beschouwd. Kwarts en diamant hebben echter een kristallijne structuur, dat wil zeggen dat hun atomen regelmatige en ruimtelijk periodieke arrangementen volgen..

Macroscopische en microscopische eigenschappen

Vaste-stoffysica bestudeert de relatie tussen eigenschappen op macroscopische schaal (duizenden of miljoenen keren groter dan de atomaire schaal) en eigenschappen op moleculaire of atomaire schaal..

In een vaste stof bevinden de atomen zich zeer dicht bij elkaar en de interactie tussen hen bepaalt hun eigenschappen op macroschaal, zoals hun mechanische eigenschappen: stijfheid en ductiliteit, evenals hun thermische, magnetische, optische en elektrische eigenschappen..

Geleidbaarheid, warmtecapaciteit en magnetisatie zijn bijvoorbeeld macroscopische eigenschappen van vaste stoffen die rechtstreeks afhankelijk zijn van wat er op moleculaire of atomaire schaal gebeurt..

Een duidelijk voorbeeld van het belang van vaste fysica zijn halfgeleiders. Door hun eigenschappen op microscopisch niveau te begrijpen, kunnen apparaten zoals transistors, diodes, geïntegreerde schakelingen en LED's worden ontwikkeld, om maar een paar toepassingen te noemen..

Structuur van vaste stoffen

Afhankelijk van de druk- en temperatuuromstandigheden en de processen die tijdens hun vorming worden gevolgd, krijgen vaste stoffen een bepaalde microscopische structuur..

Materialen die zo verschillend zijn als grafiet en diamant, zijn bijvoorbeeld uitsluitend samengesteld uit koolstofatomen. Maar hun eigenschappen zijn totaal verschillend, want ondanks dat ze uit hetzelfde type atomen bestaan, verschillen hun microscopisch kleine structuren enorm..

Metallurgiespecialisten weten dat, uitgaande van hetzelfde materiaal, met verschillende warmtebehandelingen, zeer verschillende resultaten worden verkregen bij het vervaardigen van stukken, zoals messen en zwaarden. Verschillende behandelingen leiden tot verschillende microscopische structuren.

Afhankelijk van hun vorming kunnen vaste stoffen in principe drie soorten microscopisch kleine structuren vertonen:

• Amorf, als er geen ruimtelijke regelmaat is in de rangschikking van atomen en moleculen.
• Monokristallijn, als de atomen in een ruimtelijke volgorde zijn gerangschikt, arrays of cellen vormen die zich in alle drie de dimensies oneindig herhalen.
• Polykristallijn, samengesteld uit verschillende regio's, niet symmetrisch ten opzichte van elkaar, waarbij elke regio zijn eigen monokristallijne structuur heeft.

Modellen van solide fysica en hun eigenschappen

Vaste fysica is gebaseerd op fundamentele principes om de eigenschappen van vaste materialen, zoals thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid, te verklaren..

Door bijvoorbeeld kinetische theorie toe te passen op vrije elektronen in een metaal, worden ze behandeld alsof ze een gas zijn..

En onder de aanname dat ionen een onbeweeglijk substraat vormen, is het mogelijk om zowel de elektrische geleidbaarheid als de thermische geleidbaarheid van metalen te verklaren. Hoewel in de klassieke versie van dit model de thermische geleidbaarheid van vrije elektronen groter is dan die verkregen uit metingen in geleidende materialen..

Het nadeel wordt opgelost door kwantumcorrecties te introduceren in het vrije elektronenmodel van een geleidende vaste stof. Als bovendien wordt aangenomen dat ze de Fermi-Dirac-statistiek volgen, komen de theoretische voorspellingen nauwkeuriger overeen met de experimentele metingen..

Het vrije-elektronenmodel kan de thermische geleidbaarheid van andere vaste stoffen dan metalen echter niet verklaren..

In dit geval moet rekening worden gehouden met de interactie van de elektronen met het kristalrooster, die wordt gemodelleerd door een periodieke potentiaal in de Schrodinger-vergelijking. Dit model voorspelt energieafhankelijke geleidingsbanden van elektronen en verklaart elektrische geleidbaarheid in halfgeleider vaste stoffen, een soort vaste stof tussen isolator en geleidend metaal..

Voorbeelden in vaste toestand

De vaste-stoffysica is zo geëvolueerd dat het de ontdekking van nieuwe materialen mogelijk heeft gemaakt, zoals vaste nanomaterialen met unieke en buitengewone eigenschappen.

Een ander voorbeeldgeval in de vooruitgang van vaste fysica is de ontwikkeling van tweedimensionale of monolaag materialen, gevolgd door diverse toepassingen zoals fotovoltaïsche cellen en de ontwikkeling van halfgeleider geïntegreerde schakelingen..

Het klassieke voorbeeld van een tweedimensionaal materiaal is de grafeen, dat niets anders is dan enkellaags grafiet en dat voor het eerst werd verkregen in 2004.

Andere voorbeelden van tweedimensionale vaste stoffen zijn: fosforeen, pruimen, siliceen en germaceen.

Supergeleiders op hoge temperatuur

Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Nederlander Kamerlingh Onnes (1853-1926) toen hij geleidende materialen zoals kwik, tin onderwierp en leidde tot zeer lage temperaturen (in de orde van 4K)..

Supergeleiding heeft belangrijke technologische toepassingen, zoals magnetische zweeftreinen, zolang deze kan worden verkregen bij verhoogde temperaturen (idealiter bij kamertemperatuur).

Vaste fysica is in deze zoektocht naar supergeleiders, dat wil zeggen hoge temperaturen boven de temperatuur van vloeibare stikstof (77 K), een relatief gemakkelijke en goedkope temperatuur om te verkrijgen. Tot op heden is de supergeleider met de hoogste temperatuur een keramische vaste stof die deze toestand bereikt bij een temperatuur van 138 K of -135 ° C..

Sterk gecorreleerde vaste stoffen

Sterk gecorreleerde vaste stoffen zijn zware fermionische verbindingen met ongebruikelijke eigenschappen en een groot technologisch potentieel. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gemanipuleerd om van isolatoren naar geleiders te gaan via magnetische velden.

De ontwikkeling van dit soort vaste stoffen heeft het ook mogelijk gemaakt dat magnetische informatieopslagapparaten hun capaciteit de afgelopen decennia exponentieel hebben vergroot..

Thema's van belang

Voorbeelden van vaste stoffen.

Referenties

1. Martin, Joseph D. 2015. 'Wat houdt een naamswijziging in? Solid State Physics, Condensed Matter Physics en Materials Science ”(pdf). Fysica in perspectief. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. 1995. Inleiding tot de fysica van de vaste stof. Redactioneel Reverte.
3. Ashcroft en Mermin. 1976. Solid State Physics. Saunders College.
4. Sheng S. Li. 2000. Halfgeleider fysieke elektronica. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Solid State Physics. Hersteld van: es.wikipedia.com