固体物理学

固体物理学は、原子が固体中でどのように配置され、その原子配置の結果としてこれらの固体がどのような特性を示すかを研究する学問です。この物理学の基礎分野は、固体の巨視的特性がその微視的成分からどのように生じるかを説明しようと試みています。半導体、レーザー、磁性材料など、現代の多くの技術的革新は固体物理学の原理に基づいています。

固体の構造

固体について理解する最初のことの1つは、その構造です。原子が集まって固体を形成するとき、しばしば結晶格子と呼ばれる秩序あるパターンで配置されることがあります。

結晶格子は、繰り返しパターンで発生する原子、イオン、または分子の3次元配置と考えることができます。最小の繰り返し単位は、しばしば平行六面体と呼ばれ、単位格子として知られています。一般的な単位格子のタイプは次のとおりです：

• 立方体：立方体のすべての面は等しく、すべての角度は90度です。
• 四辺形：2つの側面が等しく、角度は90度です。
• 斜方晶系：すべての側面が不等ですが、角度は90度です。

固体の結合力

格子を保持する化学結合のタイプは、固体の特性に大きく影響を与える可能性があります。結合にはいくつかの種類があります：

• イオン結合：正イオンと負イオンの間の引力。例：塩化ナトリウム（NaCl）。
• 共有結合：原子間の電子の共有。例：ダイヤモンド。
• 金属結合：電子は「電子の海」の中を自由に移動します。例：銅。
• ファンデルワールス力：一時的または誘起された双極子による弱い力。例：グラファイト。

固体の熱的特性

温度が原子の振動に影響を与えるため、熱膨張、熱容量、その他の熱的特性に大きな影響を与えます。

固体の比熱は、その温度を上昇させるために必要なエネルギーに関連しています。固体の比熱を記述するための重要なモデルはデュロン-プティ法則です。それは多くの固体のモル比熱を3Rとして近似しています。ここでRは理想気体定数です。

電気的および磁気的特性

固体は、その電気伝導性に基づいて導体、絶縁体、半導体に分類されます。この分類は、固体中で電子が占有することを許されるエネルギーレベルを記述する電子バンド構造に大きく依存しています。

オームの法則は、電気伝導を理解する上で重要です：

V = IR

この式は電圧V、電流I、および抵抗Rに関連しています。

固体のバンド理論

バンド理論は、電気導体、絶縁体、および半導体の性質を説明します。この理論によれば、固体中の電子エネルギーレベルは、原子のように明確に定義されているのではなく、連続したバンドに広がっています。

• 伝導バンド：電気を導電するために電子が自由に存在できる高エネルギーバンド。
• 価電子帯：価電子で満たされたエネルギーバンド。
• バンドギャップ：伝導バンドと価電子帯の間のエネルギー差。大きなバンドギャップは絶縁体の特徴であり、小さなギャップまたはギャップがないものは導体の特徴であり、中間のバンドギャップは半導体の特徴です。

半導体

半導体は現代技術に大きな影響を及ぼしました。それらは金属と絶縁体の間の電気伝導性を持っています。それらの伝導性は、不純物を加えることによって制御されます。このプロセスはドーピングとして知られています。

• n型：構造に追加の電子が追加されます。これは通常、リンまたはヒ素などの元素を追加することによって行われます。
• p型：電子の欠如（ホール）がホウ素またはガリウムなどの元素を追加することによって形成されます。

固体の磁気特性

固体の磁気特性は、原子の磁気モーメントとこれらのモーメントの秩序によって決定されます。磁気秩序のタイプにはさまざまなものがあります：

• 反磁性：すべての電子スピンが対になっており、固体は磁場によって弱く反発されます。
• 常磁性：一部の対になっていない電子スピンのために、固体材料は磁場に対して弱く引き寄せられます。
• 強磁性：スピンは大きなドメインで平行に整列しており、強い全体の磁場を生成します。例：鉄。
• 反強磁性：隣接するスピンは反平行に整列し、互いに打ち消し合います。例：酸化マンガン。

超伝導

最後に、超伝導はある物質が特定の臨界温度以下でゼロ電気抵抗を示す現象です。これにより、電子の自由で妨げのない流れが可能になります。

ジョセフソン効果：薄い絶縁層で分離された2つの超伝導体間で電流が流れることができる量子力学的現象。

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