физика твёрдого тела

фи́зика твёрдого те́ла

область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твёрдого тела и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства.

* * *

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

ФИ́ЗИКА ТВЕРДОГО ТЕ́ЛА, область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твердых тел (см. ТВЕРДОЕ ТЕЛО) и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства. Это наука о строении и практическом использовании веществ в твердом состоянии. Знание атомно-молекулярной структуры твердого тела, характера движения составляющих его частиц, объясняет наблюдаемые явления и позволяет предсказывать еще не открытые свойства твердых тел, а также целенаправленно изменять их структуру и синтезировать новые вещества с уникальным набором свойств. Именно физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными физическими свойствами (механической прочности, теплостойкости, электрических, оптических и магнитных характеристик).
Понимание большинства явлений в твердых телах возможно только на основе представлений квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) и статистической физики (см. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА). Наиболее полно разработана квантовая теория кристаллов, использующая понятие о квазичастицах (см. КВАЗИЧАСТИЦЫ). Знание атомной структуры твердых тел и характера движения частиц в них (энергетический спектр) позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность — электронами проводимости и фононами; некоторые особенности поглощения света в диэлектриках — экситонами (см. ЭКСИТОН); ферромагнитный резонанс — магнонами (см. МАГНОН) и т. д. Макроскопические характеристики материала при этом выражаются через характеристики квазичастиц. Понимание механизма микропроцессов позволяет их широко использовать. Например, туннельный эффект (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ) наблюдается для микрообъектов, используется же в макроскопических устройствах (электронных приборах, туннельных диодах, пленочных излучателях). Использование представлений о квантовании энергии электронов в потенциальной яме и распределении их по состояниям позволяет решить ряд важных практических задач, касающихся подсчета числа носителей заряда, которые могут участвовать в электрическом токе. Квантовая статистика позволяет понять и основные явления, протекающие при сверхпроводимости твердых тел.
Особое значение в физике твердого тела имеет зонная теория (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ) энергетических состояний электронов в кристаллах. Она дает возможность понять природу целого ряда электрических и оптических явлений. На ее основе объясняются электрические свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, а также оптические и магнитные свойства твердых тел. Развивается физика высокотемпературной сверхпроводимости и физика аморфных твердых тел. Физика твердого тела изучает процессы, происходящие в твердом теле при сильных воздействиях — взрыве, быстрой закалке, пластической деформации, механическом сплавлении, лазерном и радиационном воздействии. Сочетание разных методов и разных способов воздействия на вещество приводит к возможности получения совершенно новых свойств вещества, область применения которых в высоких технологиях обширна — например, в электронике, строительстве турбин и т.д.
Физика твердого тела разделилась на ряд областей. Выделяются объекты исследования (физика металлов, физика полупроводников и диэлектриков, физика магнетиков и др.), методы исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия твердого тела и т. п.), определенные свойства твердых тел (явление сверхпроводимости, механические, тепловые и т. д.). Физика твердого тела обладает специфическими методами исследования и использует определенный, достаточно сложный математический аппарат.
Развитие физики твердого тела и таких ее разделов, как физика металлов, кристаллофизика, физика полупроводников и диэлектриков привело к появлению новых научно-технических направлений (полупроводниковая электроника (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА), микроэлектроника (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА), оптоэлектроника (см. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА)), достижения которых сейчас широко известны (разнообразные миниатюрные полупроводниковые приборы, тонкопленочные структуры, устройства, использующие одновременно свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, оптические, электрические и магнитные устройства памяти, волоконнооптическая телефонная связь, люминесцентные экраны). Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надежных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т. д. Большое значение имеет изучение физики полимеров, в частности сложных полимерных структур, содержащих особые зоны, которые могут менять свойства полимеров и биополимеров.