ساختار مکعبی الماس

 

در این مطلب  با فیزیک حالت جامد بیش تر آشنا خواهیم شد که بزرگ ترین شاخه از علم فیزیک را به خود اختصاص می دهد.

به طور کلی این شاخه از فیزیک، با خواص ساختاری، الکترومغناطیسی و ترمودینامیکی جامدهای بلوری ارتباط دارد، این شاخه، فیزیک ماده چگال هم نامیده می شود.

 

عبارت " حالت جامد" در متون معمولی به کار می رفت و بیش تر به ترانزیستورهای تجهیزات الکترونیکی و قطعات نیمه رسانا اشاره داشت؛ اما کار با نیمه رساناها تنها یک فاز کوچک از این شاخه گسترده است.

 

دانشمندان فیزیک ماده چگال، تحقیقات خود را روی انواعی از تکنولوژی های مهم مانند نیمه رساناها و مواد مغناطیسی، لیزرها و ابر رساناها انجام می دهند. البته فیزیک ماده چگال به دو قسمت چگال نرم و سخت تقسیم می شود.

 

در این شاخه با سؤالاتی از قبیل:

  • بلور چیست؟
  • چگونه می توان ساختار بلور را توصیف کرد؟
  • چه چیزی ساختار یک بلور را تعیین می کند؟
  • به صورت تجربی، ساختار بلورها چگونه اندازه گیری می شود؟

و .... روبرو هستیم.

 

جامدها از اتم ها یا مولکول های که  به طور تکراری و مرتب کنار هم قرار گرفته اند، تشکیل شده اند.

بسیاری از خواص جامدها به طرز چیده شدن اتم ها یا مولکول های آن ها در کنار هم بستگی دارد. این چیدمان و آرایش اتمی یا مولکولی را ساختار داخلی جامد می نامند.

به همین دلیل، مطالعه ساختار جامدها "کریستالوگرافی  یا بلورشناسی" نامیده می شود.

 

مطالعه نیروهای جاذبه بین اتم ها یا مولکول ها در جامد، یک جنبه بنیادی دیگر از این شاخه است. این مطلب به فهم بسیاری از خواص جامدات کمک می کند. برای مثال، از آن جایی که نیروهای جاذبه در اصل، الکتریکی هستند، نقش مهمی در تعیین خواص الکتریکی جامدات به صورت رسانندگی دارند.

 

 

 این نیروها تا حد زیادی در تعیین خواص نوری و حرارتی جامدها مانند قدرت شکست (ضریب شکست = توانایی خمیده کردن امواج نوری) و قدرت هدایت حرارتی تأثیر دارند.

 

 

جامدها به ندرت به صورت خالص دیده می شوند (ماده خالص از یک عنصر شیمیایی یا فقط یک ترکیب تشکیل می شود؛ ناخالصی ها، نشانه مخلوط شدن عناصر دیگری با عنصر اصلی یا ترکیب خالص هستند ).

مطالعه تأثیر ناخالصی ها بر خواص جامدات یکی از قسمت های مهم فیزیک حالت جامد است. برای مثال، قطعاتی مانند باتری خورشیدی و ترانزیستور وقتی ساخته شدند که دانشمندان چگونگی کنترل ناخالصی های سیلیکون و مواد مشابه آن را یاد گرفتند.

 

ممکن است در آرایش مرتب یک جامد، یک اتم یا مولکول به طور غیر منتظره ای، غایب باشد. این کمبود اتم یا مولکول، یک "تهی جا" نامیده می شود.

تهی جاها ممکن است به طور شدید، خواص مکانیکی مواد را تغییر دهند. برای مثال، تهی جاهای یک تکه فلز سرد مورد استفاده، در مقایسه با همان فلز حرارت دیده بیش تر است و استحکام و قدرت آن هم بیش تر است. پس مطالعه تهی جاها توسط دانشمندان فیزیک حالت جامد مورد علاقه متخصصان ذوب فلزات نیز هست.

 

 

 

ناخالصی ها و چینش اتم ها

 

برخی از شبکه های بلوری

 

اتم ها یا مولکول هایی که در سطح جامد قرار دارند، شبیه اتم ها یا مولکول های داخل جامد نیستند و  مانند آن ها توسط همسایه هایی احاطه نشده اند.  پس رفتار سطح جامد با بقیه  جامد متفاوت است.

مطالعه  سطح جامد و سطح لایه ها ( که جامدهای بسیار نازکی اند که بیش تر شامل سطح هستند ) در الکترونیک لایه های نازک با خواص الکتریکی غیر عادی به درد می خورد؛ در این حالت، مقاومت سطوح فلزی نسبت به خوردگی و پوسیدگی فلزی افزایش پیدا می کند.

 

 

شکلی از سطح یک بلور

بلورنگاری واقعی در سال 1912 توسط ماکس فون لاوه و همکاری والتر فردریک و پل نیپینگ با کشف پراش اشعه ایکس توسط بلورها صورت گرفت.

بلافاصله بعد از این کشف، ویلیام هنری براگ و پسرش، ویلیام لورنس براگ از تکنیک پراش برای تعیین ساختار جامدها استفاده کردند. فون لاوه در سال 1914 و براگ پدر و پسر در سال 1915 جایزه نوبل دریافت کردند.

 

کشف پراش اشعه ایکس، نقطه شروعی در پیشرفت فیزیک حالت جامد بود. این علم طی جنگ جهانی دوم به سرعت پیشرفت کرد. پیروزی های بزرگ در این زمینه در سال 1948 توسط ویلیام شوکلی، جان باردین و والتر اچ. صورت گرفت.