Удивительный мир твердых тел

Ледяная сосулька и клинок сабли, железнодорожный рельс и кристалл рубинового лазера, обломок кирпича и драгоценный бриллиант, корпус космического корабля и раскаленная нить электролампы - все это твердые тела. Что между ними общего и чем они отличаются друг от друга - в этом помогает разобраться физика твердого тела, многообразная и увлекательная наука.

Она изучает металлы, полупроводники, диэлектрики, сегнетоэлектрики, ферромагнетики, ферриты, сверхпроводники и другие удивительные вещества. Как сделать сверхпрочную сталь, как получить сверхчистые кристаллы полупроводника, как создать сверхсильные магнитные поля или сверхвысокие давления - эти и многие другие вопросы волнуют ученых, разгадывающих загадки твердого тела.

Этих загадок так много, что физика твердого тела разделилась на несколько самостоятельных наук -ведь нельзя объять необъятное. Одни ученые изучают теорию твердого тела, т. е. расположение в нем атомов, ионов и электронов и их взаимодействия. Разнообразие этих взаимодействий и определяет все разнообразие свойств твердых тел. Другие ученые занимаются выращиванием и изучением свойств кристаллов - ведь большинство твердых тел представляют собой поликристаллы, т. е. скопления огромного количества мелких кристалликов. Третьи работают над вопросами прочности и пластичности, имеющими важное значение для промышленности: прочность определяет долговечность и надежность деталей, а пластичность связана со сложностью механической обработки этих деталей. Четвертая большая группа ученых изучает физику полупроводников - крупнейший раздел физики твердого тела, давно уже превратившийся в самостоятельную науку. Многочисленные группы ученых и инженеров занимаются физикой магнитных явлений, поведением вещества при высоких давлениях, изучают сверхпроводимость, т. е. свойства твердых тел при сверхнизких температурах. Самостоятельными разделами физики твердого тела являются разработка методов оптического спектрального анализа, радиоспектроскопии и других спектроскопических методов исследования твердых тел; рентгенография кристаллов, т. е. изучение дифракции (см. ст. "Свет") рентгеновских лучей при прохождении через кристалл, что позволяет судить о закономерностях расположения атомов в кристаллах; радиационное материаловедение, изучающее изменение механических и других свойств тел под воздействием нейтронного излучения атомных реакторов. Очень полезным для изучения твердых тел оказалось введение представления о квантах звука - фононах. Вообще исследование распространения и поглощения ультразвука в твердых телах дает богатую информацию об их структуре и свойствах... Всего и не перечислишь.

Достижения физики твердого тела позволяют создавать новые вещества, улучшать уже существующие, находить новые области применения твердых тел. Ведь свойства твердых тел широко используются в науке и технике. В акустике не обойтись без пъезокристаллов. В оптике твердые тела используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок. Новые конструкционные материалы, созданные на основе изучения и улучшения механических свойств и жаропрочности твердых тел, идут на изготовление корпусов космических кораблей. Квантовая электроника широко использует в лазерах кристаллы рубина, сапфира и других веществ. Выращивание кристаллов превратилось в целую отрасль промышленности. Осваивается и выращивание ювелирных кристаллов, по красоте своей не уступающих естественным драгоценным камням. Огромные возможности для науки и техники открыло создание полупроводниковых материалов и приборов. Не меньшие возможности связаны с использованием магнитных свойств твердых тел. Магнитные материалы применяются повсюду - от магнитных лент в обычных магнитофонах до запоминающих устройств электронных вычислительных машин. Искусственные алмазы и другие сверхтвердые материалы, созданные при высоких давлениях, позволяют во многих случаях отказаться от дорогих естественных алмазов.

С физикой твердого тела вы встретитесь в других статьях тома: с поведением твердых тел при сверхвысоких давлениях - в статье "Вещество при высоких давлениях", со сверхпроводниками - в статье "На подступах к абсолютному нулю", со спектроскопическими методами анализа - в статьях "Свет" и "Радиофизика", с радиационным материаловедением - в статье "Атомный реактор".

Мы расскажем о важнейших разделах физики твердого тела: о кристаллическом строении твердых тел и их электронной структуре; о свойствах и применениях полупроводников; о физике магнитных явлений; о закономерностях распространения звуковых волн в твердых телах.

перейти к началу страницы