فیزیک ماده چگال

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

فیزیک ماده چگال شاخه‌ای ازعلم فیزیک است که به بررسی سیستم‌های پر ذره در فازهای چگالیده که آشناترین آنها فازهای جامد و مایع هستند، می‌پردازد. بدین ترتیب از آن جهت این شاخه را فیزیک ماده چگال می‌نامند که در این سیستم‌ها معمولاً چگالی آنقدر زیاد است که نمی‌توان از برهم‌کنش ذرات بر یکدیگر صرف‌نظر کرد. مطالعات در فیزیک ماده چگال در حالت عمومی شامل اندازه گیری تجربی خواص مواد مختلف از یک‌سو و نیز ایجاد و توسعه‌ی مدل‌های نظری ریاضی به منظور درک رفتارهای فیزیکی مشاهده شده از سوی دیگر است.

تنوع سیستم‌ها و پدیده‌ها در فیزیک ماده چگال آن را به یکی از فعال‌ترین زمینه‌های فیزیک در عصر حاضر مبدل کرده است؛ به طوری که قریب یک سوم از فیزیکدانان آمریکایی خود را به عنوان فیزیکدانان ماده چگال معرفی می‌کنند، و بخش فیزیک ماده چگال، بزرگترین بخش انجمن فیزیک آمریکا را شامل می‌شود. [۱]

فیزیک ماده چگال ارتباط و همپوشانی زیادی با دیگر علوم به ویژه شیمی، علوم مواد و فناوری نانو و تا حدودی علوم زیستی دارد و همچنین تکنیک‌های نظری در آن در ارتباط تنگاتنگ با فیزیک ذرات و انرژی‌های بالا و در واقع روش‌های فیزیک ریاضی است.

تاریخچه[ویرایش]

هامفری دیوی (Humphry Davy)، شیمی‌دان انگلیسی، یکی از اولین مطالعات بر روی حالت چگالیده ماده با بررسی ۴۰ عنصر شیمیایی شناخته شده آن زمان، که ۲۶ تا از آن‌ها دارای خواص فلزی بودند، مثل درخشان بودن، شکل‌پذیری و رسانایی بالای الکتریکی و گرمایی، انجام داد.[۲]
این مشاهدات نشان داد، مدل اتمی دالتون همان‌طور که ادعا کرده بود، نیست و ساختار داخلی اتم به گونه‌ای متفاوت است. دیوی مدعی شد عناصری مثل هیدروژن و نیتروژن که تا آن زمان آن‌ها را فقط به عنوان گاز می‌شناختند، می‌توانند تحت شرایطی میعان داشته باشند و ممکن است به مانند فلز از خود رفتار فلزی نشان دهند.[۳]
در ۱۸۲۳ مایکل فارادی (Michael Faraday)، که در آزمایشگاه دیوی به عنوان دستیار مشغول بود، توانست با موفقیت کلر را مایع کند. او سپس متوجه مایع کردن دیگر عناصر گازی به جز نیتروژن، هیدروژن و اکسیژن شد.[۲] اندکی بعد، در سال ۱۸۶۹، شیمی‌دان ایرلندی توماس اندرس (Thomas Andrews) گذار فاز از گاز به جامد را مطالعه کرد و حالتی از گذار را که گاز و مایع (از نظر فازی) از هم غیر قابل تشخیص می‌باشند، به مفهوم نقطه بحرانی ابداع کرد.[۴] سپس فیزیکدان هلندی جونز وان در والس (Johannes van der Waals) چارچوب نظری را عرضه کرد که به واسطه آن می‌شود رفتار بحرانی را بر مبنای اندازه‌گیری در دماهای بالاتر، پیش‌بینی کرد.[۵]

در سال ۱۹۰۸، جیمز دوار (James Dewar) و اچ. کامرلینگ اونز (H. Kamerlingh Onnes) موفق شدند که هیدروژن را مایع کنند و توانستند به این ترتیب هلیوم مایع را نیز کشف کنند.[۲]
پاول درود (Paul Drude) اولین مدل تئوری را برای الکترون کلاسیکی که سراسر یک جامد فلزی در حال حرکت است، ارائه کرد.[۶] مدل درود توضیح می‌داد که فلزات به مانند گازی از الکترون‌های آزاد می‌باشند. این اولین مدل میکروسکوپی بود که به صورت تجربی مشاهداتی از قبیل قانون وایدمن-فرانز را توضیح می‌داد.[۷][۸] علی رغم موفقیت مدل الکترون آزاد درود، یک مشکل بزرگ وجود داشت، آن‌که این مدل نمی‌توانست به درستی سهم ویژگی‌های الکتریکی را در گرمای ویژه فلزات بیان کند. به علاوه این مدل نمی‌توانست وابستگی دمایی مقاومت الکتریکی را در دماهای پایین توجیه کند.[۹]
در ۱۹۱۱، یعنی ۳ سال بعد از اینکه هلیوم مایع تولید شد، اونز که در دانشگاه لیدن مشغول بود، هنگامی که مشاهده کردمقاومت الکتریکی در جیوه با پایین آمدن دما، به حدی پایین‌تر از مقداری مشخص، ناپدید می‌شود؛ ابررسانایی در جیوه را کشف کرد.[۱۰] این پدیده به طور کلی بهترین نظریه‌های فیزیکی آن موقع را زیر سوال برده و این مسأله برای دهه‌ها بدون توضیح باقی ماند.[۱۱] آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در سال ۱۹۲۲ با در نظر گرفتن نظریه‌های آن زمان ابررسانایی گفت: « با جهل گسترده‌ای که ما از کوانتوم مکانیک سیستم‌های مرکب داریم، از اینکه توانا باشیم تا نظریه‌ای درباره این ایده‌های مبهم بدهیم بسیار دور هستیم.[۱۲]

شاخه‌های فیزیک ماده چگال[ویرایش]

فیزیک ماده چگال در حالت کلی شامل دو شاخه فیزیک ماده چگال سخت و فیزیک ماده چگال نرم است، در بعضی تقسیم‌بندی‌ها زیست‌فیزیک هم زیرشاخه‌ای از فیزیک ماده چگال نرم حساب می‌شود. مطابق با سایت ارکایو (arXiv) زیرشاخه‌های فعال ماده چگال عبارتند از: ابررسانایی، سیستم های بی‌نظم و شبکه‌های عصبی، سیستم‌های همبسته‌ی قوی، علوم مواد، فیزیک مزوسکوپی و نانومقیاس، گازهای کوانتومی، ماده چگال نرم و مکانیک آماری.

فیزیک ماده چگال سخت[ویرایش]

فیزیک ماده چگال سخت که پیشتر به نام فیزیک حالت جامد شناخته می‌شد کلیه‌ی بخش‌های ماده چگال را که با سیستم های جامد در ارتباط است شامل می شود، از قبیل مغناطیس، ابررسانایی، خواص الکترونی، کریستالوگرافی، رشد سطح، نانوفیزیک.

فیزیک ماده چگال نرم[ویرایش]

فیزیک ماده چگال نرم بیشتر به بررسی فازهای غیرجامد مانند شاره‌های پیچیده، پلیمرها، کلوئیدها، فوم‌ها، کریستال‌های مایع، مواد دانه‌ای، غشاها و شیشه‌های اسپینی و نیز سیستم‌های زیستی می پردازد.

منابع[ویرایش]

  1. "History of Condensed Matter Physics". American Physical Society. Retrieved 27 March 2012. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ Goodstein, David; Goodstein, Judith (2000). "Richard Feynman and the History of Superconductivity". Physics in Perspective 2 (1): 30. Bibcode:2000PhP.....2...30G. doi:10.1007/s000160050035. Retrieved 7 April 2012. 
  3. Davy, John (ed.) (1839). The collected works of Sir Humphry Davy: Vol. II. Smith Elder & Co., Cornhill. 
  4. Rowlinson, J. S. (1969). "Thomas Andrews and the Critical Point". Nature 224 (8): 541. Bibcode:1969Natur.224..541R. doi:10.1038/224541a0. 
  5. Atkins, Peter; de Paula, Julio (2009). Elements of Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 978-1-4292-1813-9. 
  6. Cohen, Marvin L. (2008). "Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics". Physical Review Letters 101 (25). Bibcode:2008PhRvL.101y0001C. doi:10.1103/PhysRevLett.101.250001. Retrieved 31 March 2012.
  7. Kittel, Charles (1996). Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-11181-3. 
  8. Hoddeson, Lillian (1992). Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics. Oxford University Press. ISBN 9780195053296. 
  9. Csurgay, A. The free electron model of metals. Pázmány Péter Catholic University. 
  10. van Delft, Dirk; Kes, Peter (September 2010). "The discovery of superconductivity". Physics Today 63 (9): 38. Bibcode:2010PhT....63i..38V. doi:10.1063/1.3490499. Retrieved 7 April 2012. 
  11. Slichter, Charles. "Introduction to the History of Superconductivity". Moments of Discovery. American Institute of Physics. Retrieved 13 June 2012. 
  12. Schmalian, Joerg (2010). "Failed theories of superconductivity". Modern Physics Letters B 24 (27): 2679. arXiv:1008.0447. Bibcode:2010MPLB...24.2679S. doi:10.1142/S0217984910025280. 

P. M. Chaikin and T. C. Lubensky (2000). Principles of Condensed Matter Physics, Cambridge University Press; 1st edition, ISBN 0-521-79450-1

Michael P. Marder (2000). Condensed Matter Physics, Wiley-Interscience, ISBN 047117779