Введение

Введение
Цель преподавания и изучения
дисциплины, учебный план, форма
отчетности
Цель: Сформировать у студентов знания
о физических свойствах материалов и
методах их определения.
Цель будет достигнута посредством
решения следующих задач:
1. Приобретение знаний о физических
свойствах материалов в процессе
изучения лекционного материала (30 ауд.
часов).
2. Приобретение практических навыков
экспериментального определения
характеристик физических свойств в
процессе выполнения запланированных
лабораторных работ (5 лаб. раб. по 4 ауд.
часа).
3. Глубокая проработка учебнометодической и научной литературы вне
аудиторных часов (около 70 часов).
4. Подготовка к контрольным работам и
экзамену ( 3 конт. работы).
Литература
Основная:
1. Лифшиц Б. Г., Крапошин В. С., Линецкий
Я. Л. Физические свойства металлов и
сплавов. – М, 1980. – 314 с.
2. Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика
твердого тела: учебное пособие – М, 1971.
– 224 с.
3. Павлов П. В., Хохлов А.Ф. Физика
твердого тела. – М., 2000. – 494 с.
4. Физика твердого тела. / Под ред. И. К.
Верещагина – М., 2001. – 237с.
Дополнительная:
1. Киттель Ч. Введение в физику твердого
тела. – М., 1978. – 791 с.
2. Лифшиц И. М, Азбель М. Я., Каганов М.
И. Электронная теория металлов. – М,
1971. – 416 с.
3. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика
твердого тела. - Т. 1-2. - 1979. - 821 с.
Свойство объекта – его какое-либо
качество, особенность, проявляемое
им как реакция на внешнее
воздействие (Fт, Fтр, Fупр, Q, Eвн, H,
ядерное, химическое). Реакция
фиксируется и оценивается через
характеристики.
Т.о., одно свойство может быть
количественно выражено через
различные характеристики.
Характеристика
Внешнее
воздействие
(Fт, Q, Eвн
и др.)
Реакция
(свойство)
Объект
Все свойства материалов удобно
разделить на механические,
физические и химические.
Хотя во многом они обусловлены
одними и теми же структурными
особенностями вещества: электронное
строение, химический и фазовый
состав.
Такое разделение обоснованно, поскольку
применяемые в технике материалы
условно делят на:
-конструкционные (прочностные свойства
-Функциональные (другие свойства)
Для описания механических свойств
применяются модели классической
физики, а описания механизмов
проявления других физических свойств
необходимо привлекать модели квантовой
физики, потому что они в большой
степени обусловлены особенностями
взаимодействия большого числа
микрочастиц, из которых состоит
материал, как макрообъект
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Теплофизические
•Теплоемкость
•Теплопроводность
•Тепловое расширение
Электрические
•Электропроводность
•Диэлектрические свойства
•Сверхпроводимость
Магнитные
Оптические
Волновые свойства электронов
Модель Резерфорда
mv/r =Ze·e/r2
Два неизвестных: v и r.
e
Любому r соответствуют
определенные v и E=mv2/2,
они изменяются
непрерывно, что
противоречит опыту.
Электрон обладает ускорением w=v2/r. При
r10-10 м v2103 м/с и w1013 м/с2. При таком
w электрон непрерывно излучает, и через 
10-9 с упадет на ядро. Это второе
противоречие.
Постулаты Бора
1.Излучение испускается и поглощается
квантами hik=Ek-Ei при переходе
электронов с одной орбиты на другую.
2.Момент количества движения электрона
на орбите кратно равен кванту действия
mvr=nћ (n=1, 2, 3…)
Вопросы: Чем обусловлено наличие
квантованных орбит и почему
происходят переходы электронов между
ними?
Формула Де Бройля и волновая функция
электрона
По аналогии с фотоном, импульс
которого p=mc=mc2/c=h/c=h/, (/c=1/).
или =h/p или р=hk, где k=1/
(1),
Де Бройль в 1924 г сопоставил электрону
с импульсом p длину волны
=h/p=h/mev
(2).
Эта гипотеза была подтвеждена
экспериментально опытами по
дифракции электронов. Таким образом,
электрон обладает свойствами волны.
По аналогии с электромагнитными
волнами, квадрат волновой функции
которых соответствует плотности их
энергии или интенсивности I,
Де Бройль предложил в качестве
волновой функции электрона
рассматривать амплитуду вероятности ,
а ее квадрат – как плотность вероятности
обнаружения электрона в элементе
объема, т.е. плотность электронов:
/2/=dW/dV.
Однако уравнение бегущей волны типа
=Asin2(t-kx)
для описания электронной волны не
подходит, т.к. в этом случае /2/=
A2sin22(t-kx) - плотность электронов в
данной точке пространства и в данный
момент времени осциллирует по закону
sin2x.
Это лишено всякого физического смысла.
Де Бройль предложил описывать электрон
комплексной волновой функцией типа
=f-ig
(3).
Здесь f=Acos2(t-kx) и g=Asin2(t-kx).
Тогда /2/=  * =(Acos2(t-kx)-iAsin2(tkx)) (Acos2(t-kx)+iAsin2(t-kx))=
A2cos22(t-kx)+iAcos2(t-kx)Asin2(tkx)-iAcos2(t-kx)Asin2(t-kx)i2A2sin22(t-kx))= A2cos22(t-kx)i2A2sin22(t-kx)= A2(cos22(t-kx)+sin22(tkx))=A2.
Таким образом, /2/=A2=const, (4)
 =A(cos2(t-kx)-isin2(t-kx))
(Преобразование Эйлера)
или  =Ae -i2(t-kx)
(5).
Используя=E/h, k=p/h и ћ=h/2,
выражение (5) можно переписать в виде
 =Ae -i2/h(Et-px)= Ae -i/ћ (Et-px)
(6)
Это выражение для волновой функции
свободного электрона. В атоме и в
кристаллах волновая функция электрона
описывается суммой
= пр отр – стоячая электронная волна.
МЕЖАТОМНЫЕ СВЯЗИ,
ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ
Межатомные силы
1. Силы электростатического притяжения,
действующие между электронами и ядрами
различных атомов.
2. Силы отталкивания, действующие между
электронами и электронами, ядрами и
ядрами различных атомов.
Характер этих сил определяется строением
электронных оболочек
взаимодействующих атомов.
Энергия межатомной связи
Связь между атомами в кристалле имеет
много общего со связью между атомами в
молекулею
Рассмотрим поэтому возникновение
межатомной связи в 2-х атомной молекуле.
При сближении атомов возникают силы
притяжения между электронами одного
атома и ядром другого и сила отталкивания
между их электронами и их ядрами
соответственною
Эти силы
U
производят работу
–dUпр=Fпрdr и
dUот=Fотdr. Энергии
описываются
степенными
функциями вида
Uпр=-a/rm и Uот=b/rn,(1)
где a, b, m, n –
константы.
U0
Тогда полная
энергия
межатомного
взаимодействия
равна
U=-a/rm +b/rn.
(2)
r0
Uот
r
U
Uпр
Фукция энергии межатомного
взаимодействия должна иметь минимум,
который соответствует равновесному
состоянию молекулы. Для этого
необходимо выполнение условия n>m, т.е.
после достижения определенного r0 силы
отталкивания должны нарастать
значительно быстрее сил притяжения.
Для нахождения r0 продифференцируем (2)
по r и приравняем к 0: dU/dr=0.
Получим выражение для равновесного
r0=(nb/ma)1/n-m.
(3)
После подстановки (3) в (2) можно получить
выражение для энергии связи U0.
Т. к. n>m, то из (2) следует, что энергия
связи определяется преимущественно
энергией притяжения.
Для устойчивого равновесного состояния
кристалла на суммарной кривой
притяжения и отталкивания атомов
обязательно наличие минимума, который
соответствует определенной стабильной
конфигурации в расположении атомов
кристаллической решетки
Молекулярные кристаллы – твердые тела,
в узлах кристаллической решетки которых
располагаются либо одинаковые
молекулы с насыщенными связями (H2,
Cl2, …), либо атомы инертных газов (Ar,
Ne, …). Частицы удерживаются слабыми
силами Ван-дер-Ваальса, энергия связи
U0-0,02-0,15 эВ, вследствие чего
кристаллы имеют очень низкие
температуры плавления.
Схема образования (возникновение
диполей вследствие флуктуации
электронных облаков)


+
-
+
-
Т. к. n>m, то из (2) следует, что энергия
связи определяется преимущественно
энергией притяжения.
Для устойчивого равновесного состояния
кристалла на суммарной кривой
притяжения и отталкивания атомов
обязательно наличие минимума, который
соответствует определенной стабильной
конфигурации в расположении атомов
кристаллической решетки