Fizyka ciała stałego - Polski Serwis Naukowy

Fizyka ciała stałego - dział fizyki zajmujący się ciałami stałymi, tj. takimi które w danych warunkach zachowują swój kształt makroskopowy. Fizyka ciała stałego jest częścią fizyki materii skondensowanej.

Z mikroskopowego punktu widzenia, atomy i cząsteczki w ciele stałym zachowują swoje położenie względem innych atomów, wykonując tylko pewne drgania wokół swoich średnich położeń. Atomy te mogą być ułożone w przestrzeni zgodnie z pewnymi regułami symetrii - mówimy wtedy o kryształach. Obok kryształów klasycznych, w których cała struktura atomowa da się przedstawić w postaci pewnego powtarzającego się w przestrzeni wzoru, możliwe są również tzw. kwazikryształy, w których atomy tworzą nieperiodyczną sieć o symetrii np. pięciokątnej, oraz ciała amorficzne czyli bezpostaciowe, w których nie ma dalekozasięgowego uporządkowania.

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.

Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.

Współcześnie, głównym kierunkiem badań są własności mikroskopowe, określone prawami mechaniki kwantowej. W szczególności badana jest teoretycznie struktura elektronowa. Z reguły polega to na rozwiązywaniu wielociałowego równania Schrödingera metodami numerycznymi. Ta metoda jest skomplikowana, dlatego opracowuje się szereg przybliżeń, których testowanie i ulepszanie stanowi odrębną specjalizację. Istnieje nadzieja, że ta metoda pozwoli na przewidywanie mikroskopowych własności ciał stałych.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Ciało amorficzne, ciało bezpostaciowe – stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Z tego powodu ciało takie często, choć błędnie, nazywa się stałą cieczą przechłodzoną. Jednak ciecz, w tym także ciecz przechłodzona, może płynąć, a ciało stałe utrzymuje swój kształt.

Laboratoria fizyków ciała stałego są z reguły nastawione na badanie określonych własności ciał, co odpowiada określonym specjalizacjom. Można tu wymienić własności magnetyczne, przewodnictwo elektryczne, własności mechaniczne i optyczne, które są opisywane przez odpowiednie stałe materiałowe. Takimi stałymi są podatność magnetyczna, temperatury krytyczne charakteryzujące różnego rodzaju przemiany fazowe, moduł Younga, przenikalność elektryczna itp. W ostatnich latach dużym zainteresowaniem cieszą się badania własności, wynikających ze szczegółów struktury o rozmiarach nanometra, tj. $10^{-9}$ metra, tzw. nanotechnologia.

Nanotechnologia – to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek.

Moduł Younga (E) – inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej (w układzie jednostek SI) – wielkość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.