فیزیک جامدات

[parisa.na 1,558]

شاید بشر اولین بار با کشف قانون حرکت، قانونی که حیات و هستی وابسته به آن است، با

علم فیزیک آشنا شد. علمی که به یاری آن چرخ ها را ساخت، شکار کرد و شکارش را حمل

نمود و سپس به مرور با کشف قوانین بیشتری از علم فیزیک توانست بنیاد مسائل و قوانین

طبیعت را درک و با به خدمت در آوردن و استفاده از این قوانین به تمدن قرن بیستم دست

پیدا کند. به زبان دیگر فیزیک علم زندگی است و می توان گفت که جهان در بزرگترین

مقیاس تا ریزترین مقیاس در ارتباط با علم فیزیک می باشد.

اما آنچه در رشته فیزیک در حد لیسانس آموزش داده می شود عبارت است از فیزیک

دبیرستانی به اضافه فیزیک قرن بیستم . از سوی دیگر می توان گفت که فیزیک در حد

لیسانس مفاهیم فیزیک دبیرستانی را عمیق تر کرده و طرز برخورد با مسائل فیزیکی را

آموزش می دهد. این رشته در دوره کارشناسی دارای 5 گرایش اتمی ـ مولکولی، هستهای،

حالت جامد، هواشناسی و اختر فیزیک است که تعداد واحدهای تخصصی هریک از این گرایش ها

در دوره کارشناسی بسیار محدود است و به همین دلیل گرایش های فوق در این دوره تفاوت

محسوسی با یکدیگر ندارند.(این رشته در دو مقطع دکترای پیوسته و کارشناسی در آزمون

سراسری دانشجو می پذیرد.)اما چون گرایش ما فیزیک جامدات هست در این مورد براتون نوشتم گرایش فیزیک حالت جامد:

گرایش حالت جامد مربوط به سیستم های بس ذره ای مخصوصاً جامدات است. ابتدایی ترین

کار در این گرایش بررسی بلورهای جامدات و خواص اپتیکی، مکانیکی، الکتریکی و صوتی

امواجی است که در آن منتشر می شود. این بررسی منجر به پدیده های مختلفی مثل ابر

رسانایی، نیمه رسانایی یا پخش و انتقال گرما می گردد.

دروس تخصصی گرایش حالت جامد:

فیزیک حالت جامد، فیزیک لایه های نازک، فیزیک قطعات نیمه رسانا ، ابررسانایی و

کاربرد آن، بلورشناسی، الکترونیک ، رشد بلور و تکنولوژی نیمه رساناها است.

چرا تعداد افراد متخصص در فیزیک حالت جامد کم است؟

روشن است که فیزیک حالت جامد موضوع بسیار گسترده‌ای است و زمینه‌های جالب و مشخصی را در بر می‌گیرد که در هر یک از آنها ، بعنوان مثال مغناطیس ، می‌توان به آسانی بحث را به مسایل تخصصی کشاند. پژوهشگران فیزیک حالت جامد در دنیا از هر رشته دیگر فیزیک بیشترند.

گستردگی موضوع از یک طرف جالب بوده و از طرف دیگر تولید اشکال می‌کند. جالب بودن آن در این است که گستره وسیعی از پدیده‌های شاخص را برای مطالعه و پژوهش عرضه می‌کند و اشکال آن در گستردگی هر موضوع است که ، برای هر کس مشکل است که از همه آنها آگاهی پیدا کند. از این رو تعداد افراد متخصص در فیزیک جامد اگر چنین متخصصانی باشند کم است.

انگیزه مطالعه فیزیک حالت جامد

ابتدا اینکه فیزیک حالت جامد بخش جدایی ناپذیری از فیزیک است و تا جایی که فیزیک را یک پیشه ارزشمند فرهنگی و علمی بدانیم، فیزیک حالت جامد نیز چنین است. اما انگیزه دیگری که در گسترش فیزیک حالت جامد نقش داشته ، آن است که این رشته بطور گسترده‌ای با خواص ماده به شکل کپه‌ای طبیعی‌اش سر و کار دارد. به این معنی که بطور مثال یک پژوهشگر فیزیک جامد ، مس را دقیقاً به همان صورتی که در اتصالهای معمولی الکتریکی بکار می‌رود، بصورت فلز مس مطالعه می‌کند.

افزون بر این پدیده هایی مورد توجه فیزیک حالت جامد است که اغلب در فناوری از آن استفاده می گردد. تردیدی نیست که فناوری از گسترش پژوهش در فیزیک جامد بهره های فراوان برده است. شاید از بدیهی ترین زمینه های پیشرفت بتوان از الکترونیک به ویژه کاربرد اجسام نیم رسانا در ساختن قطعات حساس الکتریکی مانند ترانزیستور ، دیود و … نام برد. بنابراین فناوری نوین بیشتر بر پایه کاربرد پدیده‌های حالت جامد قرار دارد.

 

توانایی های لازم :

برخلاف رشته های مهندسی که با اتفاقات علمی سر و کار دارند در رشته های علوم پایه

از جمله فیزیک به چگونگی پیش آمدهای علمی توجه می کنند و در واقع به دنبال یافتن

دلایل و چرایی هر پدیده یا اتفاق هستند و به همین دلیل داوطلبانی که مستعد، باهوش و

کنجکاو هستند، می توانند در این رشته موفق گردند. از سوی دیگر فیزیک منهای ریاضی؛

یعنی صفر به همین دلیل دانشجویان این رشته باید از نظر ریاضیات در سطح بسیار بالایی

باشند.

موقعیت شغلی در ایران :

اگر کسی فیزیک را خوب خوانده باشد در سازمان های مختلف کشور از قبیل صداوسیما،

برنامه و بودجه، مخابرات و همچنین در صنایع مختلف مفید واقع شده و موفق می گردد.

چون دانشجویان فیزیک مطالب مختلفی از قبیل الکتریسیته و مکانیک می خوانند و در

زمینه های مختلف دید وسیعی پیدا می کنند. همچنین فارغ التحصیلان این رشته در حد

کارشناسی می توانند در نیروگاه های هسته ای، مراکز تولید قطعات غیرهادی و سلولهای

خورشیدی، صنایع تولید و نگهداری لیزر در صنعت، مراکز پزشکی و نظامی و سازمان انرژی

اتمی فعالیت کنند

[Mohammad Aref 120,438]

فيزيک حالت جامد، شاخه اي از فيزيک است که با ساختار و خواص جامدات سر و کار دارد. فيزيک دانان اين رشته تحقيقات خود را بر روي حيطه ي گسترده اي انجام مي دهند، از کارهاي تکنولوژيکي مهم روي نيمه هادي ها و مواد مغناطيسي گرفته تا علاقه مندي هاي دانشگاهي همانند مبحث ابر هدايت کنندگي (عبارت حالت جامد که در سخنان عادي خيلي استفاده مي شود مربوط به تجهيزات الکترونيکي اي مي شود که ترانزيستورها و ديگر قطعات نيمه هادي را به کار مي گيرند، اما کار با نيمه هادي ها تنها بخشي از اين رشته ي بسيار گسترده است.) جامدات از اتم ها يا مولکول هايي ساخته شده اند که به صورت نزديک به هم ديگر، فشرده شده اند (اغلب به صورت منظم فشرده شده اند). بيشتر خصوصيات فيزيکي جامدات به روشي که اتم ها يا مولکول ها با آن کنار هم چيده شده يا قرار گرفته اند بستگي دارد به عبارت ديگر به ساختار دروني جامد بستگي دارد. به همين دليل، علم بررسي ساختار جامدات که بلورشناسي نام دارد از اهميت اساسي نسبت به ديگر تحقيقات در فيزيک حالت جامد برخوردار است.

مبحث نيروهاي جذب کننده بين اتم ها و مولکول ها در جامدات يکي ديگر از جنبه هاي بنيادي محسوب مي شود، اين مبحث به فهم بسياري از خواص جامدات کمک بزرگي کرده است. به طور مثال از آنجا که طبيعتاً نيروهاي جذب کننده از نوع الکتريکي هستند، نقش بسيار مهمي در تعيين خواص الکتريکي جامدات همانند رسانايي دارند. همچنين اين نيروها تا حد زيادي خواص گرمايي و نوري جامدات همانند قدرت شکست (توانايي منحرف کردن امواج نور) و توانايي رسانايي گرمايي را مشخص مي کنند.

جامدات به ندرت (به جز برخي موارد) خالص هستند (يک ماده ي خالص تنها داراي يک عنصر يا ترکيب شيميايي است. ناخالصي ها ذراتي از ديگر عناصر هستند که در عنصر يا ترکيب اصلي مخلوط شده اند. مبحث تأثيرات ناخالصي ها بر خواص جامدات يکي از مهم ترين جنبه هاي فيزيک حالت جامد است. به طور مثال تجهيزاتي همانند باتري هاي خورشيدي و ترانزيستورها تنها زماني قابل ساختن شدند که دانشمندان فهميدند چگونه ناخالصي هاي سيليکون و ديگر مواد مشابه را کنترل کنند.

اغلب يک اتم يا مولکول به طرز غيرمنتظره اي در چيدمان يک جامد غايب است. اين فاصله ي رها شده در ساختار تهي جا ناميده مي شود. تهي جا ها ممکن است به طرز شديدي خواص مکانيکي مواد را تغيير دهند. به طور مثال يک قطعه فلز سريعاً سرد شده نسبت به يک قطعه فلز به آهستگي سرد شده، تهي جا (جاي خالي) بسيار بيشتري دارد و معمولاً بسيار سخت تر و محکم تر است. بنابراين بررسي تهي جاها توسط فيزيک دانان فيزيک حالت جامد يکي از علاقه هاي قابل ملاحظه توسط فلزشناسان است.

مولکول ها و اتم هاي سطح يک جامد همانند قسمت هاي دروني آن کنار هم قرار گرفته نشده اند، برخلاف اتم ها و مولکول هاي قسمت دروني، آنها توسط مولکول ها و يا اتم هاي مجاور، محاصره نشده اند. بنابراين رفتار سطح جامد، اساساً با بقيه ي قسمت هاي آن متفاوت است. بررسي سطوح جامد و پوسته ها (به عبارت ديگر جامدات خيلي نازک که بيشتر سطح را شامل مي شوند) منجر به استفاده از فيلم ها (پوسته هاي) نازک با خواص الکتريکي غيرعادي در الکترونيک و يافتن راه هاي افزايش مقاومت سطوح فلزات در برابر خوردگي شده است.

تاريخچه

اگر چه آزمايش هاي اوليه بر روي سراميک ها و فرآيندهاي سخت کاري فولاد ممکن است به عنوان پيشگامان فيزيک حالت جامد محسوب شوند، اما پيدايش فيزيک حالت جامد از اوايل قرن 19 که بررسي جامدات به وضعيت علمي نزديک شد، ريشه مي گيرد. در طي اين دوره بود که رن جاست هي، معدن شناس فرانسوي، تفکر در مورد ساختار مواد بلورين را آغاز کرد و پايه هاي بلورشناسي را بنا کرد. اما در آن زمان کارهاي او و چندين نفر ديگر که از او پيروي کردند، توجه کمي را به خود جلب کرد.

آغاز واقعي بلورشناسي در سال 1912 رخ داد، زماني که مکس وُن لائو به کمک والتر فردريش و پل نيپينگ کشف کرد که بلورها موجب انکسار (پراش) اشعه ي ايکس مي شوند. بلافاصله با پيگيري اين کشف، ويليام هنري براگ و پسرش ويليام لاورنس براگ از تکنيک انکسار براي تشخيص ساختار جامدات استفاده کردند. ون لائو در سال 1914 به خاطر کار خود بر روي اين موضوع جايزه ي نوبل را دريافت کرد و در سال 1915 براگ پدر به همراه پسرش اين جايزه را به خاطر کار بر روي موضوع مذکور دريافت کردند.

کشف انکسار اشعه ايکس نقطه ي عطفي در پيدايش فيزيک حالت جامد بود و مبنايي براي فهم تئوريکي جامدات فراهم کرد. فيزيک حالت جامد از آن زمان رشد سريعي داشته است. به خصوص از زمان جنگ جهاني دوم. در سال 1948 يک پيروزي تکنولوژي بزرگ براي فيزيک حالت جامد رخ داد، توسعه ترانزيستورها توسط ويليام شالکي، جان باردين و والتر اچ براتين از آزمايشگاه هاي تلفن بل.

 

منبع: راسخون