فيزياء الأجسام الصلبة
فيزياء الأجسام الصلبة أوفيزياء الجوامد أوفيزياء الحالة الصلبة (Solid-state physics) هي أكبر فروع فيزياء المواد المكثفة، وهوفهم يهتم بدراسة المواد الجامدة، والمواد الصلبة، من خلال أساليب مثل ميكانيكا الكَمّ، وفهم البلورات، والكهرومغناطيسية، وفهم السبائك. فيزياء الجوامد تفسر كيف من الممكن أن حتى الكثير من خصائص المواد الصلبة يمكن حتى تكون نتاج لخصائص هجريبها الذري. بذلك يمكن اعتبار فيزياء الجوامد تشكل الأساس النظري لفهم المواد، فضلاً على حتى لها تطبيقات مباشرة، على سبيل المثال في تكنولوجيا الترنزستورات وأشباه الموصلات.
مقدمة
المواد الصلبة تتشكل من ذرات متراصة بشكل كثيف، مع قوى رابطة قوية بين الذرات. هذه القوى الرابطة هي المسئولة عن الخصائص الميكانيكية للمادة الصلبة، مثل الصلادة، والمرونة، والخصائص الحرارية والكهربائية والمغناطيسية والبصرية. واعتمادًا على نوع المادة والظروف التي أنشئت فيها، يمكن حتى تصنف الذرات إما إلى ذرات ذات نمط هندسي منتظم (المواد الصلبة البلورية، والتي تضم على سبيل المثال المعادن والجليد المصنوع من الماء العادي) أوذرات ذات نمط غير منتظم (المواد الصلبة غير البلورية، مثل زجاج النوافذ المستخدم في المنازل).
القسم الأكبر من فهم فيزياء الجوامد والأبحاث فيه تتمحور حول البلورات، يرجع هذا بنسبة كبيرة إلى حتى تواتر الذرة في البلورة (التواتر (periodicity) هوخاصية مميزة للذرة) يسهل النمذجة الرياضية، أيضًا من مسببات هجرز الأبحاث على البلورات حتى المواد البلورية لها غالبًا خواص كهربية، أوبصرية، أوميكانيكية، أومغناطيسية يمكن استغلالها لأغرض هندسية.
القوى بين الذرات في البلورة يمكن حتى تتخذ أشكالاً متعددة. على سبيل المثال، في بلورة كلوريد الصوديوم (ملح الطعام)، تتكون البلورة من أيونات صوديوم وكلور مرتبطة معًا بروبط أيونية. وفي حالات أخرى تشارك الذرات الإلكترونات وتكون روابط تساهمية. في المعادن، تُتَشَارَك الإلكترونات في تام البلورة في رابطة فلزية. أما الغازات الخاملة فلا تخضع لأي نوع من هذه الروابط. في الحالة الصلبة، الغازات الخاملة تترابط عن طريق قوى ڤان در ڤالس المتكونة من استقطاب سحابة الشحنات الكهربية في جميع ذرة. ويمكن القول بأن الاختلافات بين أنواع المواد الصلبة تنتج من الاختلاف بين روابطها.
البنية البلورية وخصائصها
الكثير من خصائص المواد تتأثر ببنيتها البلورية. هذه البنية يمكن دراستها عن طريق مجموعة من تقنيات فهم البلورات، مثل أشعة إكس البلورية، والحيود النيوتروني، والحيود الإلكتروني.
أحجام البلورات المفردة في المواد الصلبة البلورية تختلف اعتمادًا على نوع المادة والظروف التي شكلت فيها،. معظم المواد البلورية التي نراها في الحياة اليومية هي مواد متعددة البلورات نظرًا لأن البلورات المفردة معظمها مجهرية وغير قابلة للرؤية بالعين البشرية، لكن أيضًا البلورات المفردة القابلة للرؤية بالعين البشرية يمكن إنتاجها طبيعيًا (مثل الماس) أوصناعيًا.
البلورات المشاهدة تحتوي على عيوب أونشوزات في الانتظام المثالي، وهذه العيوب هي التي تحدد بشكل حاسم الكثير من الخواص الكهربائية والميكانيكية للمواد التي نشاهدها.
تشكيلات البلورة (lattice) يمكن حتى يحدث لها اهتزازات. هذه الاهتزازات عثر أنها كمية، ووسائط الاهتزازات الكمية أصحبت تعهد بالفونونات. لذلك الفونونات تلعب دورًا رئيسيًا كثير من الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة، مثل انتنطق الصوت. في المواد الصلبة العازلة، الفونونات هي الآلية الرئيسية في حدوث العزل الحراري. الفونونات ضرورية أيضًا لفهم السعة حرارية للتشكيلات البلورية في المواد الصلبة، كما في نموذج أينشتين ونموذج ديباي اللاحق له.
الخصائص الإلكترونية
خصائص المواد مثل التوصيل الكهربي والسعة الحرارية يمكن دراستها عن طريق فيزياء الجوامد. أحد النماذج الأولية لتفسير التوصيل الكهربي كان نموذج درود، الذي طبق نظرية الحركة على الإلكترونات في الحالة الصلبة. بافتراض حتى المادة تحتوي على أيونات موجبة غير متحركة و"غاز إلكتروني" من إلكترونات كلاسيكية غير متفاعلة، استطاع نموذج درود حتى يشرح التوصيلية الحرارية والكهربية وتأثير هول في المعادن، على الرغم من أنها بالغت كثيرًا في السعة الحرارية الإلكترونية.
أرنولد سمرفيلد جمع بين نموذج درود الكلاسيكي وبين ميكانيكا الكَمّ في نموذج الإلكترون الحر (أونموذج درود-سمرفيلد) . في هذا النموذج، تم تمثيل الإلكترونات كغاز فيرمي، الذي هوغاز من الجسيمات التي تخضع لإحصائات فيرمي-ديراك الميكانيكية الكمية. نموذج الإلكترون الحر حسن من التنبؤات بالسعات الحرارية للمعادن، بيد أنه لم يتمكن من تفسير وجود المواد العازلة.
نموذج الإلكترون شبه الحر هوتعديل لنموذج الإلكترون الحر ينص على وجود اضطراب دوري ضعيف يعني لنموذج التفاعل بين إلكترونات التوصيل والأيونات في بلورة مفردة صلبة. عن طريق إدخال فكرة النطاقات الإلكترونية، ونجحت النظرية في شرح كيفية وجود المواد الموصلة والمواد شبه الموصلة والمواد العازلة.
نموذج الإلكترون شبه الحر أعاد كتابة معادلة شرودنغر في حالة الوضع الدوري. حلول المعادلة في هذه الحالة تعهد بحالات بولك. ونظرًا لأن نظرية بولك تطبق فقط على الوضع الدوري، ونظرًا أيضًا للحركات العشوائية غير المنبترة للذرات في البلورة التي تعطل اهتزازها، فإن استخدام نظرية بولكقد يكون تقريبيًا فقط، ولكنه أُثبت حتى هذا التقريب قريب جدًا للقيمة السليمة، وبدونه فإن معظم مسائل فيزياء الجوامد ستكون مستعصية على الحل. والانحرافات من التواتر يمكن معاملتها عن طريق نظرية الاضطراب الكمية الميكانيكية.
مناحي البحث الحديثة في فيزياء الجوامد
مواضيع البحث الحديثة في مجال فيزياء الجوامد تضم:
- الزجاج السبيني
- الموصلية الفائقة
- صناعة المعدات شبه الموصلة في صناعة أشباه الموصلات
المصادر
- Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
- Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 2004).
- H. M. Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press: Oxford, 1995).
