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सॉलिड स्टेट फिजिक्स
सॉलिड स्टेट फिजिक्स इस बात का अध्ययन है कि परमाणु ठोसों में कैसे व्यवस्थित होते हैं और उनके परमाणु संरचना के परिणामस्वरूप वे कौन-कौन से गुण प्रदर्शित करते हैं। इस भौतिक विज्ञान के मौलिक क्षेत्र का प्रयास ठोस के सूक्ष्म घटकों से इसके व्यावहारिक गुणों को समझाने का होता है। कई आधुनिक तकनीकी प्रगति, जैसे कि सेमीकंडक्टर्स, लेजर और चुंबकीय पदार्थ, सॉलिड स्टेट फिजिक्स के सिद्धांतों पर आधारित हैं।
ठोसों का गठन
ठोसों के बारे में समझने के लिए पहली चीज़ उनके गठन को समझना है। जब परमाणु ठोसों को बनाने के लिए एकत्र होते हैं, तो वे अक्सर एक सुव्यवस्थित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं जिसे क्रिस्टल लैटिस कहा जाता है।
एक क्रिस्टल लैटिस को परमाणुओं, आयनों, या अणुओं की त्रिविमीय व्यवस्था के रूप में सोचा जा सकता है, जो एक पुनरावृत्त पैटर्न में होती है। सबसे छोटी पुनरावृत्त इकाई, जिसे अक्सर पैरेलेलिपिपेड कहा जाता है, एक यूनिट सेल के रूप में जानी जाती है। कुछ सामान्य प्रकार की यूनिट सेल निम्नलिखित हैं:
- घन: घन के सभी पक्ष बराबर होते हैं, और सभी कोण 90 डिग्री होते हैं।
- चतुर्भुज: दो पक्ष बराबर होते हैं और कोण 90 डिग्री होते हैं।
- ऑर्थोरोम्बिक: सभी पक्ष असमान होते हैं, परंतु कोण 90 डिग्री होते हैं।
ठोसों में बंधन बल
रासायनिक बंध जो लैटिस को एक साथ बांधता है, ठोस के गुणों को बहुत प्रभावित कर सकता है। बंध के कई प्रकार होते हैं:
- आयनिक बंध: धनात्मक और ऋणात्मक आयनों के बीच आकर्षण। उदाहरण: सोडियम क्लोराइड (NaCl)।
- सहसंयोजक बंधन: परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों की साझाकृत जोड़ी। उदाहरण: हीरा।
- धात्विक बंध: इलेक्ट्रॉन "इलेक्ट्रॉनों के सागर" में स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं। उदाहरण: तांबा।
- वैन डर वाल्स बल: स्थायी या प्रेरित द्विध्रुव के कारण दुर्बल बल। उदाहरण: ग्रेफाइट।
ठोसों के थर्मल गुण
क्योंकि तापमान परमाणुओं के कंपन को प्रभावित करता है, यह ठोसों के थर्मल विस्तार, ऊष्मा धारिता और अन्य थर्मल गुणों को बहुत प्रभावित करता है।
एक ठोस की विशिष्ट ऊष्मा ऊष्मा की आवश्यकता से संबंधित होती है। ठोसों की विशिष्ट ऊष्मा का वर्णन करने के लिए एक महत्वपूर्ण मॉडल ड्यूलोंग-पेटिट नियम है। यह कई ठोसों की मोलर ताप धारिता को 3R के रूप में अनुमानित करता है, जहां R आदर्श गैस स्थिरांक है।
वैद्युत और चुंबकीय गुण
ठोसों को उनके विद्युत चालकता के आधार पर संवाहक, अचालक, और अर्द्धचालक के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। यह वर्गीकरण भारी रूप से विद्युत बैंड संरचना पर निर्भर करता है, जो ऊर्जा स्तरों का वर्णन करता है जिन्हें ठोस में इलेक्ट्रॉन कब्जे में ले सकते हैं।
ओम का नियम विद्युत चालकता को समझने में महत्वपूर्ण है:
V = IRयह समीकरण वोल्टेज V, धारा I, और प्रतिरोध R को संबंधित करता है।
ठोसों की बैंड सिद्धांत
बैंड सिद्धांत विद्युत संवाहकों, अचालकों और अर्द्धचालकों की प्रकृति को समझाता है। इस सिद्धांत के अनुसार, ठोस में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर परमाणु की तरह स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं होते हैं, बल्कि वे निरंतर बैंड में फैले होते हैं।
- चालन बैंड: उच्च ऊर्जा बैंड जिसमें इलेक्ट्रॉन विद्युत प्रवाह कर सकते हैं।
- संयोजक बैंड: संयोजक इलेक्ट्रॉनों से भरा ऊर्जा बैंड।
- बैंड गैप: चालन बैंड और संयोजक बैंड के बीच ऊर्जा का अंतर। बड़े बैंड गैप अचालक के विशेषता होते हैं, छोटे या बिना गैप के संवाहक के विशेषता होते हैं, और मध्यम बैंड गैप अर्द्धचालक के विशेषता होते हैं।
अर्ध-चालक
अर्द्धचालक ने आधुनिक तकनीक पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाला है। उनकी विद्युत चालकता धातुओं और अचालकों के बीच होती है। उनकी चालकता को डोपिंग नामक प्रक्रिया के माध्यम से अशुद्धियाँ जोड़कर नियंत्रित किया जा सकता है।
- एन-प्रकार: ढांचे में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड़े जाते हैं। यह आमतौर पर फॉस्फोरस या आर्सेनिक जैसे तत्वों को जोड़कर किया जाता है।
- पी-प्रकार: छिद्र (इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति) बोरॉन या गैलियम जैसे तत्वों को जोड़कर बनते हैं।
ठोसों के चुंबकीय गुण
ठोसों के चुंबकीय गुण परमाणुओं के चुंबकीय क्षणों और इन क्षणों के क्रम द्वारा निर्धारित होते हैं। चुंबकीय क्रम के विभिन्न प्रकार होते हैं:
- विमात्रिकता: सभी इलेक्ट्रॉन स्पिनों का युग्मन होता है, और ठोस चुंबकीय क्षेत्र द्वारा कमजोर रूप से प्रतिकर्षित होता है।
- पैरामagnetism: ठोस पदार्थ चुंबकीय क्षेत्र के कारण कुछ खुली इलेक्ट्रॉन स्पिनों के कारण कमजोर रूप से आकर्षित होता है।
- फेरोमैग्नेटिज्म: स्पिन एक बड़े क्षेत्र में समानांतर होते हैं, जो एक मजबूत नेट चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं। उदाहरण: लोहा।
- एंटीफेरोमैग्नेटिज्म: समीपवर्ती स्पिन प्रतिकूल रूप से संरेखित होते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। उदाहरण: मैंगनीज ऑक्साइड।
सुपरकंडक्टिविटी
अंततः, सुपरकंडक्टिविटी एक घटना है जिसमें एक पदार्थ एक निश्चित क्रिटिकल तापमान के नीचे शून्य विद्युत प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। इससे इलेक्ट्रॉनों का स्वतंत्र और अविकल प्रवाह होता है।
जोसेफसन प्रभाव: क्वांटम यांत्रिकी घटना जिसमें धारा दो सुपरकंडक्टरों के बीच प्रवाहित हो सकती है जो एक पतली इंसुलेटिंग परत से विभाजित होती हैं।
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