Proprietà fisica a stato solido, struttura, esempi

IL Fisica a stato solido È il ramo della fisica che si occupa dello studio della materia quando si trova in uno stato di bassa energia, chiamato stato solido, Attraverso l'uso di teorie fisiche come meccanica quantistica, fisica statistica, termodinamica, elettromagnetismo e cristallografia.

A stato solido, l'energia di attrazione intermolecolare è inferiore all'energia termica, quindi le molecole possono appena vibrare attorno a posizioni più o meno fisse. Alcuni solidi sono amorfi a livello molecolare, mentre altri hanno una struttura più ordinata, come i cristalli.

Alcuni esempi di materiali solidi sono sabbia di silice, vetro, grafite (carbone minerale), sale comune, zucchero raffinato, ferro, rame, magnetite, quarzo e molti altri.

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Caratteristiche a stato solido

I materiali solidi hanno la caratteristica principale che, in condizioni normali, cioè se non sono soggetti a grandi sforzi esterni, mantengono il loro volume e forma.

Ciò contrasta con i liquidi che, sebbene possano mantenere il loro volume, cambiano forma adattandosi al contenitore che li contiene. Il contrasto è ancora maggiore con i gas, poiché questi possono essere compressi o ampliati cambiando il loro volume e forma.

Tuttavia, i solidi possono variare il loro volume quando sono sottoposti a variazioni di temperatura sufficientemente ampia da avere effetti notevoli, ma senza una transizione di fase si verifica a un altro stato di materia.

I solidi possono essere amorfi nella sua struttura molecolare interna. Ad esempio, il vetro è un materiale amorfo, anche considerato da molti come un liquido troppo imputabile. Tuttavia, il quarzo e il diamante hanno una struttura cristallina, cioè i loro atomi seguono accordi regolari e spazialmente periodici.

Proprietà macroscopiche e microscopiche

Studia fisico a stato solido La relazione tra proprietà su scala macroscopica (migliaia o milioni di volte più alti su scala atomica) e le proprietà su scala molecolare o atomica.

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In un solido, gli atomi sono molto vicini tra loro e l'interazione tra loro determina le loro proprietà su scala macro, come le loro caratteristiche meccaniche: rigidità e duttilità, e anche le loro proprietà termiche, magnetiche, ottiche ed elettriche.

Ad esempio, conducibilità, capacità termica e magnetizzazione sono proprietà macroscopiche dei solidi che dipendono direttamente da ciò che accade su scala molecolare o atomica.

Un chiaro esempio dell'importanza della fisica solida sono i semiconduttori. Comprendere le sue proprietà a livello microscopico consente dispositivi come transistor, diodi, circuiti integrati e luci a LED, solo per nominare alcune applicazioni.

Struttura solida

A seconda delle condizioni di pressione e temperatura, nonché dei processi seguiti durante la loro formazione, i materiali solidi acquisiscono una certa struttura microscopica.

Ad esempio, i materiali diversi come grafite e diamante sono composti solo da atomi di carbonio. Ma le sue proprietà sono completamente diverse, perché nonostante siano composte dallo stesso tipo di atomi, le loro strutture microscopiche differiscono notevolmente.

Struttura microscopica di diamante e grafite

Gli specialisti della metallurgia sanno che, in base allo stesso materiale, con diversi trattamenti termici, si ottengono risultati molto diversi nell'elaborazione di pezzi, come coltelli e spade. Trattamenti diversi portano a diverse strutture microscopiche.

A seconda della loro formazione, i solidi possono sostanzialmente presentare tre tipi di strutture microscopiche:

• Amorfo, Se non c'è regolarità spaziale nella disposizione di atomi e molecole.
• Monocristallino, Se gli atomi sono disposti in un ordine spaziale, formando accordi o celle che si ripetono indefinitamente nelle tre dimensioni.
• Poliristaline, Composto da diverse regioni, non simmetriche tra loro, dove ogni regione ha una propria struttura monocistallina.

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Modelli della fisica dei solidi e delle sue proprietà

La fisica della parte solida dei principi fondamentali per spiegare le proprietà dei materiali solidi, come la conducibilità termica e la conducibilità elettrica.

Ad esempio, applicando la teoria cinetica a elettroni senza metallo, vengono trattati come se fossero un gas.

E supponendo che gli ioni formino un substrato immobile, è possibile spiegare sia la conducibilità elettrica che la conduttività termica dei metalli. Sebbene, nella versione classica di questo modello, la conduttività termica degli elettroni liberi sia maggiore di quanto ottenuta dalle misurazioni in materiali conduttivi.

L'inconveniente viene risolto introducendo correzioni quantistiche al modello di elettroni libero di un conduttore solido. Inoltre, se dovrebbero seguire le statistiche di Fermi-Dirac, le previsioni teoriche concordano più precisamente con le misurazioni sperimentali.

Tuttavia, il modello di elettroni liberi non può spiegare la conduttività termica dei solidi che non sono metalli.

In questo caso, l'interazione di elettroni con la rete cristallina deve essere presa in considerazione, che è modellata da un potenziale periodico nell'equazione di Schrodinger. Questo modello prevede bande di guida dipendenti dall'energia degli elettroni e spiega la conduttività elettrica nei solidi a semiconduttore, un tipo di solido intermedio tra isolante e metallo conduttivo.

Esempi a stato solido

La fisica dello stato solido si è evoluta al punto che ha permesso la scoperta di nuovi materiali come nanomateriali solidi Con proprietà uniche e straordinarie.

Un altro caso di esempio nel progresso della fisica solida è lo sviluppo di materiali bidimensionali o monostrati, seguito da diverse applicazioni come le cellule fotovoltaiche e lo sviluppo di circuiti integrati a semiconduttore.

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Il classico esempio di materiale bidimensionale è il Grafene, che non è altro che un singolo grafico del mantello e che è stato ottenuto per la prima volta nel 2004.

Altri esempi di solidi bidimensionali sono: fosforeno, idraulico, silicio e germacene.

Superconduttori ad alta temperatura

Levitazione di un magnete per mezzo di un superconduttore in ceramica ad alta temperatura

La superconduttività fu scoperta nel 1911 dagli olandesi Kamerlingh Onnes (1853-1926) quando si sottomette a temperature molto basse (dell'ordine dei 4 K) materiali conduttivi come mercurio, stagno e piombo.

La superconduttività ha importanti applicazioni tecnologiche, come i treni di levitazione magnetica, purché possa essere ottenuta ad alte temperature (idealmente a temperatura ambiente).

La fisica del solido è in questa ricerca di superconduttori, essendo compresa ad alta temperatura al di sopra della temperatura dell'azoto liquido (77 K), una temperatura relativamente facile ed economica per ottenere. Ad oggi, il superconduttore a temperatura più alta è un solido ceramico che raggiunge questo stato a una temperatura di 138 K o -135ºC.

Solidi fortemente correlati

I solidi fortemente correlati sono pesanti composti fermionici che hanno proprietà potenziali tecnologiche insolite e grandi. Ad esempio, possono essere manipolati per passare dagli isolanti ai driver attraverso campi magnetici.

Lo sviluppo di questo tipo di solidi ha anche permesso ai dispositivi di archiviazione magnetica delle informazioni di aumentare esponenzialmente la loro capacità negli ultimi decenni.

Temi di interesse

Esempi di solidi.

Riferimenti

1. Martin, Joseph D. 2015. "Cosa c'è in un cambio di nome? Fisica a stato solido, fisica della materia condensata e scienza dei materiali ”(PDF). Fisica in prospettiva. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. 1995. Introduzione alla fisica a stato solido. Reverte editoriale.
3. Ashcroft e Mermin. 1976. Fisica a stato solido. Saunders College.
4. Sheng s. Li. 2000. Semiconduttore di elettronica fisica. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Fisica a stato solido. Recuperato da: è.Wikipedia.com