פיזיקה של מצב מוצק

פיזיקה של מצב מוצק (על פי האקדמיה ללשון העברית, שם הענף הפיזיקלי הוא פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמְּעֻבֶּה, או פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמּוּצָקִי) עוסקת בהתנהגות חומר במצב צבירה מוצק ובחישוב התכונות הפיזיקליות של מוצקים שונים, כגון: גבישים, מתכת ועוד. בגביש גרעיני האטומים מסודרים בצורה מחזורית ובאריזות אופייניות, ואילו האלקטרונים נעים בגביש באופן חופשי יחסית. כיום פיזיקת המצב המוצק נחשבת לתת-תחום של פיזיקה של חומר מעובה, שעוסקת גם בנוזלים, ג'לים וסוגי חומרים נוספים.

מכיוון שהתבנית הבסיסית של הגביש, הקרויה תא יחידה או אזור ברילואן הראשון (על שם לאון ברילואן) חוזרת על עצמה, נוצרת מחזוריות, ולכן נוח לבצע חישובים במרחב התנע במקום במרחב המקום. במרחב התנע מתקבלת גם כן מחזוריות. ההנחה העומדת בבסיס התאוריה של פיזיקת המצב המוצק היא שהאלקטרונים מושפעים על ידי כוחות המשיכה (פוטנציאלים) של כל גרעיני האטומים בסריג המחזורי, ולכן פונקציית הגל שלהם אינה ממוקמת עוד במרחב כי אם פרושה על פני הסריג כולו. עקרון האיסור של פאולי מכריח את האלקטרונים לאכלס רמות אנרגיה שונות, כמספר האלקטרונים החופשיים בחומר. מיקומה של רמת האנרגיה המלאה האחרונה (רמת פרמי) יקבע את עיקר תכונותיו של החומר - מוליך, מבודד, מוליך למחצה, מתכות למחצה וכן הלאה.

שלוש התאוריות העיקריות לתיאור פונקציות הגל הקוונטיות של האלקטרונים בחומר הן:

1. גז פרמי - הדחייה והמשיכה בין האלקטרונים וגרעיני האטומים מבטלות זו את זו ולכן האלקטרונים חופשיים לגמרי ללא אינטראקציות.
2. אלקטרונים כמעט חופשיים - המשיכה של האלקטרונים לגרעיני האטומים קטנה יחסית לאנרגיה הקינטית שלהם, ולכן ניתן לטפל בה על ידי תורת ההפרעות.
3. מודל הקשר הצמוד - האלקטרונים קשורים לגרעין האטום כמו בחלקיק בודד בלי סריג, ונמשכים במשיכה חלשה גם לגרעיני האטומים השכנים.

בשני המודלים האחרונים נוצר פער במרחב האנרגיה, כך שישנם ערכי אנרגיה אותם האלקטרונים לא יכולים לקבל. מערכת שאנרגיית פרמי שלה תימצא בתוך הפער תתנהג בהכרח כמו מבודד (המוליכות יורדת עם הורדת הטמפרטורה).

פיזיקת המצב המוצק מנסה למדל מערכת עם מספר רב של חלקיקים, אך עם רמת סדר גבוהה, בניגוד לתחומי פיזיקה אחרים בהם מספר החלקיקים ניתן לספירה (כמו פיזיקת חלקיקים, פיזיקה גרעינית, פיזיקה אטומית ועוד). עם זאת, רוב התופעות הנחקרות בפיזיקת המצב המוצק נובעות דווקא מהנקודות החריגות במבנה המחזורי (המכונות זיהומים).

לגבישים יש תכונות מגנטיות, אופטיות, חשמליות ומכניות אשר ניתן לנצל לשימושים הנדסיים.

ראו גם

• מוליכות-על
• מבנה פסים

קישורים חיצוניים

• גדעון גילת ואלישע כהן, ‏מסתרי המצב המוצק, מחשבות 36, ינואר 1973, עמ' 10–15
• פיזיקה של מצב מוצק, דף שער בספרייה הלאומית

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.