Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

faststoffysik (Begreber)

Oprindelig forfatter HSmi Seneste forfatter Redaktionen

Orden og symmetri er gennemgående begreber i de faste stoffers fysik. I en krystal sidder atomerne regelmæssigt ordnet, således at de danner et gitter. Det simplest tænkelige er et kubisk gitter, hvor hvert atom er omgivet af seks nærmeste naboer, men i mere almindeligt forekommende gitre er hvert atom omgivet af otte eller tolv nærmeste naboer. Årsagen hertil skal søges i de kræfter, hvormed atomerne påvirker hinanden, idet atomerne ved tilstrækkeligt lave temperaturer anbringer sig således, at den samlede energi bliver mindst mulig.

Ordnede krystaller udviser bestemte symmetrier, fx over for parallelforskydning af atomerne igennem en gitterafstand eller en drejning om en akse på 120°. Amorfe stoffer besidder derimod ikke sådanne symmetrier, og flydende krystaller kun i begrænset omfang. I visse materialer, fx beta-messing, der er en legering af lige dele kobber og zink, kan man, når temperaturen falder under en vis værdi, iagttage en faseovergang fra en uordnet tilstandsform, hvor atomerne sidder tilfældigt, til en ordnet tilstandsform, hvori de to typer atomer fortrinsvis besætter positioner i hvert sit delgitter. Graden af orden vokser med aftagende temperatur.

Noget tilsvarende gælder den superledende tilstandsform af metaller. Man kan opfatte denne som en ordnet fase, hvori metallets ledningselektroner danner par, der kan kondensere i en fælles kvantetilstand. Antallet af sådanne par øges, når temperaturen aftager. Beslægtede fænomener er superfluiditeten af flydende helium og Bose-Einstein-kondensation, hvor et stort antal atomer i en gas kan bringes til at besætte samme kvantetilstand. Studiet af sådanne makroskopiske kvantefænomener kræver lave temperaturer, idet kondensationen modvirkes af partiklernes termiske bevægelse. Smeltning er en anden type faseovergang, hvor atomernes regelmæssige placering forsvinder ved opvarmning over en bestemt temperatur.

Annonce

Det har vist sig meget frugtbart at beskrive faste stoffers egenskaber vha. begrebet kvasipartikler eller elementære excitationer. Eksempelvis kan svingningerne af krystalgitrets atomer om deres ligevægtspositioner beskrives ved at angive antallet af fononer ("lydkvanter") hørende til bestemte normalsvingninger. Fononens energi er en funktion af dens bølgelængde, akkurat som energien af en foton afhænger af lysets bølgelængde. Tilsvarende indfører man begrebet magnon som en partikel, hvis energi svarer til energien af en bølgeformet forstyrrelse af de magnetiske momenter i et ordnet magnetisk materiale.

Ledningselektronerne i metaller opfattes som kvasipartikler, for hvilke sammenhængen mellem energi og impuls adskiller sig fra den, der kendetegner en enkelt, frit bevægelig elektron. Årsagen hertil er elektronernes indbyrdes vekselvirkning, der også giver anledning til, at kvasipartiklerne henfalder, dvs. får en endelig levetid. Andre eksempler er plasmoner og excitoner.

Grundtanken bag indførelsen af disse forskellige "-oner" er, at de forenkler beskrivelsen af faste stoffer og andre kondenserede systemer betydeligt. I stedet for at opfatte faste, krystallinske stoffer som en samling af tætpakkede atomer, der vekselvirker kraftigt indbyrdes, kan man repræsentere dem som en "gas" af relativt svagt vekselvirkende kvasipartikler. De termiske egenskaber af fx en siliciumkrystal er således bestemt af fononerne, opfattet som uafhængige partikler, ligesom den elektriske ledningsevne af metallisk aluminium primært er begrænset af ledningselektronernes vekselvirkning med fononerne.

Et andet eksempel på en kvasipartikel af mere eksotisk karakter er en "composite fermion", dvs. en sammensat fermion, hvis eksistens afspejler sig i den kvantiserede Hall-effekt. I todimensionale elektrongasser, der befinder sig i et ydre magnetfelt, er Hall-effekten kvantiseret (nobelpriser 1985 og 1998) i den forstand, at den elektriske modstand, målt vinkelret på strømmens retning, udviser karakteristiske plateauer (trin) som funktion af magnetfeltets styrke. Plateauernes beliggenhed kan forklares ved at repræsentere de stærkt vekselvirkende elektroner i det ydre magnetfelt ved "composite fermions", der hver bærer et lige antal magnetiske fluxkvanter og dermed vekselvirker svagt. Man har fx målt disse kvasipartiklers ladning, spin og masse, og man har studeret deres egenskaber under omstændigheder, hvor de effektivt bevæger sig helt frit, som om der slet ikke er et ydre magnetfelt til stede.

Faste stoffer er makroskopiske i den forstand, at de indeholder et meget stort antal partikler. Det er derfor undertiden hensigtsmæssigt at beskrive dem vha. den klassiske fysiks begreber. Den klassiske elasticitetsteori er et uundværligt hjælpemiddel til forståelsen af stoffernes mekaniske egenskaber over afstande, der er store i forhold til afstanden mellem naboatomer. Metallernes optiske egenskaber analyseres i et samspil mellem klassisk elektrodynamik og mikroskopiske modeller for polarisationen af stoffets enkelte atomer eller molekyler.

Selvom faste stoffer naturligvis altid har været kendt af mennesket, er det først med fremkomsten af kvantemekanikken, at de faste stoffers fysik har fået karakter af et selvstændigt emneområde. Kvantemekanikken og den statistiske mekanik udgør tilsammen det værktøj, der gør det muligt at knytte de målte egenskaber af faste stoffer sammen med teoretiske beregninger baseret på mikroskopiske modeller.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Henrik Smith: faststoffysik (Begreber) i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 24. april 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=74635