FYZIKA
KONDENZOVANÝCH LÁTEK
Lubomír
Sodomka
ADHESIV
FYZIKA KONDENZOVANÝCH
LÁTEK
Prof. RNDr. Ing. Lubomír SODOMKA, DrSc.
MDFABI
Autor: Prof. RNDr. Ing. Lubomír SODOMKA, DrSc.
Recenze: Prof. RNDr. Pavel Lukáč, DrSc.
Doc.
RNDr. Miroslav Svoboda, CSc.
Doc.
RNDr. Bohuslav Máca, CSc.
Doc.
RNDr. Oldřich Lepil, CSc. - kapitola 20
1. vydání
Vydání bylo umožněno
podporou GA ČR Praha č. 106/01/0387.
Pro diplomanty a doktorandy
teorie mechanických vlastností a
anizotropie.
Schváleno rozhodnutím
ministerstva školství České
socialistické republiky č.j. 31 480/85-31 ze dne 2. ledna 1986 jako celostátní
vysokoškolská příručka pro studenty pedagogických fakult studijního oboru
76-12-8 učitelství všeobecně vzdělávacích předmětů - fyzika.
Vytiskl Vysokoškolský
podnik, s.r.o., Liberec, Komenského 2 - 2002
© Lubomír Sodomka, 2002
ISBN 80-04-21904-7
O B S A H
PŘEDMLUVA
0 ÚVOD 10
0.1 Z historie fyziky pevných látek 10
0.2 Struktura a vlastnosti pevných látek 13
0.3 Literatura 14
1. Atomová struktura pevných látek 15
1.1. Periodická stavba pevných látek 15
1.1.1. Amorfní a krystalické látky 15
1.1.2. Základní pojmy krystalografie 16
1.1.3 Reciproká mřížka 18
1.2 Souměrnost krystalů 21
1.2.1 Makroskopická souměrnost 21
1.2.2 Krystalografické soustavy 23
1.2.3 Mikroskopická souměrnost 24
1.2.4 Krystaly vzniklé těsným uspořádáním atomů 27
1.2.5 Vazebné síly a vazby v pevných látkách 28
1.2.5.1 Molekulární (van der Waalsovy) síly 29
1.2.5.2 Coulombovské síly 30
1.2.5.3 Výměnné síly 31
1.2.5.4 Odpudivé síly 32
1.2.5.5 Vodíková vazba (vodíkový můstek) 33
1.3 Problémy 34
1.4 Literatura 35
2 PORUCHY V PEVNÝCH LÁTKÁCH 36
2.1. Bodové poruchy 37
2.1.1 Elektronové poruchy 37
2.1.1.1 Plazmony 37
2.1.1.2 Cyklotrony, helikony, magnony 39
2.1.2 Fotony 40
2.1.3 Atomové poruchy 41
2.1.3.1 Fonony 41
2.1.3.2 Vakance a intersticiály 41
2.1.3.3 Příměsové atomy v mřížce 42
2.2 Čárové poruchy 42
2.2.1 Dislokace 42
2.2.1.1 Hranové a šroubové dislokace 46
2.2.2. Disklinace 49
2.3. Mozaiková struktura krystalu 50
2.4 Problémy 51
2.5. Literatura 52
2.5. Literatura 52
3 METODY URČOVÁNÍ STRUKTURY PEVNÝCH LÁTEK 54
3.1 Metoda otáčivého krystalu 56
3.2 Metoda prášková 57
3.3 Laueova metoda 59
3.4 Elektronová difrakce 59
3.5 Neutronová difrakce 60
3.6. Intenzita difraktovaného záření 61
3.7 Určování poruch ve struktuře pevných látek 63
3.8 Metody zviditelňování dislokací 66
3.9. Problémy 68
3.10 Literatura 70
4 MECHANICKÉ VLASTNOSTI 71
4.1 Elastická deformace 71
4.2 Plastická deformace 75
4.2.1 Dvojčatění 77
4.3 Viskózní deformace 77
4.3.1 Klasifikace viskózních látek 78
4.3.2 Reologické rovnice 79
4.3.2.1 Eyringova relaxační rovnice 81
4.3.3 Reologické modely 82
4.3.3.1 Maxwellův model 84
4.3.3.2 Voigtův-Kelvinův model 85
4.3.4 Dynamické chování reologických pevných látek 85
4.4 Rozrušování pevných látek 87
4.4.1 Teoretická pevnost 87
4.4.2 Činitele ovlivňující lom, vliv mikrotrhlin 88
4.4.3 Úloha plastické deformace při lomu 91
4.4.3.1 Šíření trhliny 91
4.4.3.2 Iniciace trhliny 93
4.5 Superplasticita kovů 95
5 KMITY MŘÍŽKY A MĚRNÉ TEPELNÉ KAPACITY 101
5.1 Elastické vlny v pevných látkách 101
5.2 Elastické vlny v krystalových mřížkách 103
5.3 Stojaté vlny v lineárním řetězci atomů. Fonony 105
5.3.1 Elastické vlny v lineárním řetězci se dvěma druhy atomů 106
5.4. Měrné tepelné kapacity 109
5.5 Nesouměřitelné struktury 112
5.6 Akustická (fononová) emise 114
5.7 Problémy 115
5.8 Literatura 116
6 Elektronové vlastnosti pevných látek 117
6.1 Energetický model atomů a pevných látek 117
6.2 Elektronová teorie kovů 118
6.2.1 Teorie volných elektronů 118
6.3 Boltzmannova transportní rovnice 119
6.4 Vodivost kovů 121
6.5 Energetické rozložení kovů 122
6.6 Výstup elektronů z kovu 126
6.6.1 Termoemise 126
6.6.2 Polní (studená) emise 127
6.6.3 Fotoemise 127
6.6.4 Těsný dotyk (kontakt) mezi dvěma kovy 128
6.7 Problémy 129
6.8 Literatura 131
7 Pásová teorie pevných látek 132
7.1 Klasifikace pevných látek podle pásové struktury 137
7.2 Pohyb elektronů podle pásové teorie. Efektivní hmotnost, pojem díra 137
7.3 Experimentální ověření pásové teorie 139
7.4 Problémy 139
7.5 Literatura
8 Užití pásové teorie 142
8.1 Polovodiče 142
8.1.1 Hallův jev 146
8.1.2 Magnetorezistance 146
8.1.3 Kvantový Hallův jev 148
8.2 Kontaktní jevy mezi polovodiči 151
8.3 Fotovodivost 156
8.4 Organické polovodiče a fotovodiče 158
8.4.1 Organické polovodiče 158
8.4.2 Organické fotovodiče 161
8.4.2.1 Fotovodivé polymery 161
8.5 Organické vodiče 161
8.6 Mechanismy a vodivosti organických polovodičů a vodičů 163
8.7 Polovodiče s nulovým zakázaným pásem 164
8.8 Problémy 166
8.9 Literatura 166
9 Dielektrické a magnetické vlastnosti pevných látek 167
9.1 Dielektrika 167
9.1.1 Makroskopický popis dielektrik 167
9.1.2 Molekulární popis dielektrika 170
9.1.3 Mechanismus polarizace dielektrika 171
9.1.4 Ztráty v dielektriku 174
9.1.5 Klasifikace dielektrik 174
9.2 Magnetika 182
9.2.1 Makroskopický popis magnetik 182
9.2.2 Molekulární popis magnetik 183
9.2.3 Klasifikace magnetik 186
9.2.4 Rezonanční jevy 193
9.2.4.1 Cyklotronová rezonance (CR) 193
9.2.4.2 Paramagnetická (spinová) rezonance (EPR,ESR) 194
9.2.4.3 Feromagnetická rezonance (FR) 195
9.2.4.4 Nukleární magnetická rezonance (NMR) 195
9.2.4.5 Akustická a paramagnetická (spinová) rezonance (APR) 195
9.2.4.6 Bezodrazová jaderná rezonance (Mössbauerův jev) 196
9.2.5 Magnetické bubliny 200
9.3 Problémy 203
9.4 Literatura 206
10 Optické vlastnosti pevných látek 207
10.1 Základní pojmy 207
10.2 Index lomu 207
10.3 Součinitel reflexe (odrazu světla) 209
10.4 Součinitel průchodu (transmise) světla 209
10.5 Dvojlomnost pevných látek 209
10.6 Pleochroismus 214
10.7 Optická aktivita 214
10.8 Umělá optická anizotropie 215
10.8.1 Elektrooptické jevy 215
10.8.1.1 Lineární elektrooptický jev 215
10.8.1.2 Kvadratický elektrooptický jev 217
10.8.2 Magnetooptické jevy 217
10.8.2.1 Lineární magnetooptický jev 217
10.8.2.2 Kvadratický magnetooptický jev 218
10.8.3 Fotoelastický jev 218
10.9. Elektronová teorie optických charakteristik 219
10.10 Rozptyl světla 222
10.10.1 Rayleighův rozptyl 223
10.10.2 Ramanův rozptyl 224
10.10.3 Brillouinův rozptyl 225
10.11 Fotovoltaické jevy v pevných látkách 226
10.12 Fotochemické jevy 227
10.13 Problémy 229
10.14. Literatura 231
11 Luminiscence 232
11.1 Problémy 236
11.2 Literatura 237
12 Lasery v pevné fázi a nelineární optika 238
12.1 Obecné principy funkce laserů 238
12.2 Konstrukce laserů v pevné fázi 241
12.2.1 Dielektrické lasery 241
12.2.2 Polovodičové lasery 243
12.3 Nelineární optické vlastnosti 245
12.3.1 Generování druhé harmonické 247
12.3.2 Parametrické generování světla (PLG) 250
12.3.3 Vícefotonová absorpce 251
12.3.4 Samofokusace 252
12.4 Problémy 254
12.5 Literatura 255
13 Supravodivost 256
13.1 Kritická indukce (intenzita) magnetického pole 257
13.2 Meissnerův jev 257
13.3 Penetrační hloubka ( supravodivá hloubka průniku) 259
13.4 Termodynamika supravodivosti 261
13.5 Energetický gep (zakázaný pás) 262
13.6 Kvantové tunelování 263
13.7 Izotopický jev 265
13.8 Teorie supravodivosti 266
13.9 Supravodiče typu I a II 267
13.9.1 Vlastnosti supravodičů typu I 268
13.9.2. Vlastnosti supravodičů typu II 269
13.10 Organické supravodiče 271
13.10.1 Supravodiče a vysokoteplotní supravodivost 271
13.10.2 Excitonová supravodivost 272
13.10.3 Experimentální stav organických supravodičů 272
13.10.4 Supravodivost za zvýšených teplot 275
13.11 Problémy 276
13.12 Literatura 277
14 Kapalné krystaly 278
14.1 Rozdělení kapalných krystalů 278
14.2 Smektické kapalné krystaly (smektika) 279
14.3 Nematické kapalné krystaly (nematika) 280
14.4 Cholesterické kapalné krystaly (cholesterika) 281
14.4.1 Nematické stočené textury 281
14.4.2 Cholesterické textury 281
14.4.3 Polymerní kapalné krystaly 282
14.4.4 Diskotické kapalné krystaly 283
14.5 Teorie kapalných krystalů 284
14.5.1 Teorie shluků molekul 284
14.5.2 Teorie kontinua kapalných krystalů 284
14.5.3 Molekulárně statistická teorie kapalných krystalů. 285
14.6 Jevy v kapalných krystalech 285
14.6.1 Orientující účinek elektrického a magnetického pole 285
14.6.2 Dynamický rozptyl 286
14.6.3 Stáčení molekul, nematické stočené a cholesterické textury
elektrickým polem 288
14.6.4 Jev host - hostitel 288
14.6.5 Paměťový jev 289
14.6.6 Piezoelektrický jev v kapalných krystalech 289
14.6.7 Difrakce na cholesterikách 290
14.6.8 Fotovoltaický jev v kapalných krystalech 292
14.6.9 Elektrooptické jevy v smektikách 293
14.6.10 Kerrův jev v izotropních fázích nematik 294
17.7 Problémy 294
14.8 Literatura 295
15 Aplikace fyziky pevných látek 295
15.1 V technologii 295
15.1.1 Pěstování krystalů 295
15.1.2 Opracování krystalů 297
15.2 Aplikace elektronových vlastností pevných látek 298
15.2.1 Diody v pevných látkách 298
15.2.2 Tunelové diody 300
15.2.3 Gunnovy diody 301
15.2.4 Vícevrstvové polovodičové součástky 303
15.2.4.1 Bipolární tranzistory 303
15.2.4.2 Unipolární tranzistory (FET) 305
15.2.4.3 Tyristory 306
15.2.4.4 Lavinové diody 307
15.2.4.5 Nábojově vázané prvky (CCD) 309
15.2.5 Hallovy prvky 312
15.2.6 Organické polovodiče a vodiče 312
15.3 Použití dielektrik a magnetik 313
15.3.1 Užití feroelektrik a feromagnetik 314
15.3.2 Užití pyroelektrik a pyromagnetik 314
15.3.3 Užití piezoelektrik 315
15.3.4 Užití elektretů 315
15.3.5 Využití magnetických bublin 316
15.4 Použití supravodivosti 316
15.4.1 Laboratorní aplikace 317
15.4.1.1 Hladinoměry kapalného helia 317
15.4.1.2 Odstínění a prostorová akumulace stejnosměrného magnetického pole 317
15.4.1.3 Filtrace zvlnění magnetického pole 318
15.4.1.4 Tepelné klíče 318
15.4.2 Supravodivé magnety 318
15.4.3 Průmyslové aplikace 320
15.4.4 Supravodivá elektronická zařízení 320
15.4.4.1 Elektronické vypínače a přepínače 320
15.4.4.2 Stejnosměrné a střídavé squidy 321
15.5 Užití optických a optoelektronických vlastností pevných látek 322
15.5.1 Užití kapalných krystalů 323
15.5.2 Sluneční články 325
15.5.3 Fotodiody, fototranzistory, fotofety 326
15.5.4 LEDy a polovodičové lasery 326
15.5.5 Optoelektronické modulátory 327
15.5.6 Optoelektronické obrazové prvky (displeje) 328
15.5.7 Integrovaná optika 328
15.5.8 Řádkovací (skanovací) tunelový mikroskop 330
15.6 Problémy 333
15.7 Literatura 336
16 DIFÚZE V PEVNÝCH LÁTKÁCH 337
16.1 Mikromechanismy difúze 337
16.2 Difúze intersticiálním mechanismem 338
16.3 Vakanční mechanismus difúze 338
16.4 Přemísťování atomů do makroskopických vzdáleností 339
16.5 Makroskopické zákony difúze 341
16.5.1 Prvý Fickův zákon 341
16.5.2 Druhý Fickův zákon 342
16.6 Experimentální technika určování difúze v pevných látkách 345
16.6.1 Samodifúze 346
16.7 Obecný transport částic 346
16.7.1 Nernstův-Einsteinův vztah 346
16.7.2 Termodifúze (teplotní difúze) 346
16.8 Interdifúze, vlastni difúze 348
16.9 Vliv poruch Na difúzi 350
16.10 Difúze více složek 350
16.11 Difúze v polymerech 351
16.12 Obecné podmínky pro difúzi 352
16.13 Problémy 352
16.14 Literatura 353
17 AMORFNÍ LÁTKY, SKLA 354
17.1 Amorfní látky 354
17.2 Základní vlastnosti skla 359
17.3 Zachariasenova teorie 363
17.3.1 Stevelsovy strukturní parametry 364
17.4 Anomálie oxidu boritého (boritého skla) 366
17.5 Invertní skla 366
17.6 Stavba skla a oblasti různé struktury a složení 370
17.7 Chyby v síťové struktuře skla 371
17.8 Systematika bodových chyb ve skelné síti 371
17.9 Fyzikální jevy způsobené chybami ve skelné síti 374
17.10 Fotosenzitivní skla 376
17.11 Speciální skla a jeJich užití 376
l7.11.1 Skla se sníženou propustností rentgenového záření a záření gama 376
17.11.2 Skla vodivá a fotoelektrická 377
17.11.3 Luminiscenční skla 377
17.11.4 Termoluminiscenční a mechanoluminiscenční (triboluminiscenční) skla 380
17.12 Kovová skla 383
17.12.1 Příprava kovových skel 383
17.12.2 Struktura a vlastnosti kovových skel 384
17.13 Skla pro vláknovou optiku 385
17.13.1 Optické vlastnosti 386
17.13.2 Technologie přípravy 388
17.13.3 Hlavní oblasti využití světlovodů 389
17.14 Problémy 389
17.15 Literatura 390
18 POLYMERY 391
18.1 Struktura polymerů 403
18.1.1 Struktura polymerových makromolekul 403
18.1.1.1 Kopolymery 406
18.1.2 Stavba polymerů 407
18.1.3 Vazebné síly a energie polymerů 407
18.1.3.1 Kovalentní (homeopolární) a disperzní vazebné síly a energie 408
18.2 Technologie polymerů 413
18.2.1 Polymerace 414
18.2.2 Polykondenzace a polyadice 415
18.2.3 Polymerace zářením 415
18.2.4 Degradace polymerů 417
18.2.5 Popis polydisperzity makromolel v polymerech 417
18.3 Nadmolekulární struktura polymerů 420
18.3.1 Zvláštnosti polymerů 420
18.3.2 Kondenzáty makromolekul 422
18.3.3 Poruchy v polymerech 426
18.4 Určování stupně krystalinity polymerů 427
18.5 Orientovaný stav polymerů, vlákna 430
18.6 Určování textur v polymerech 430
18.7. Problémy 435
18.8 Literatura 436
19 KOMPOZYTY 438
19.1 Definice a rozdělení kompozitů 438
19.2 Částicové kompozity 441
19.3 Vláknové kompozity 441
19.4 Směsovací pravidla 443
19.5 Fyzikální vlastnosti 445
19.5.1 Mechanické vlastnosti kompozitů 445
19.5.1.1 Mechanické veličiny vláknových kompozitů s nekonečnými vlákny 445
19.5.1.2 Mechanické veličiny vláknových kompozitů s krátkými vlákny 448
19.5.1.3 Mechanické vlastnosti ortotropníchkompozitů 451
19.5.2 Tepelné vlastnosti kompozitů 452
19.5.3 Ostatní vlastnosti kompozitů 453
19.6 Problémy 454
19.7 Literatura 456
20 FYZIKA UHLÍKU 457
20.1 Úvod 457
20.2 Z historie uhlíku 457
20.3 Základní strukturní vlastnosti uhlíku 458
20.4 Krystalové modifikace uhlÍku 460
20.5.1 Fulerény, fulerity a fuleridy- nové modifikace uhlíku 461
20.6 Použití fulerénů 463
20.7 Historie objevu fulerenů a jejich derivátů 464
20.7.1 Úvod 464
20.7.2. Prehistorie 466
20.7.3 Raná historie 466
20.7.4 Motivace objevu C60 467
20.7.5 Základní technologie přípravy C60 468
20.7.6 Analogie s architekturou 469
20.7.7 Biologické a geologické struktury 470
20.7.8 Sedm kritických dní objevu C60 470
20.7.9 Další publikace v češtině 471
20.8 Literatura 472
21
FYZIKA KAPALIN
22 BOSEŮV –
EINSTEINŮV KONDENZÁT
1.
23
FYZIKA POVRCHŮ
24
ADHEZE KONDENZOVANÝCH LÁTEK
DODATEK
MAKROSKOPICKÉ VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK 473
D.1 Vlastnosti pevných látek a jejich kvantitativní popis 473
D.2 Anizotropie vlastností a polí a jejich tenzorový popis 474
D.3 Tenzory k popisu vlastností pevných látek 476
D.3.1 Polární a axiální tenzory 476
D.3.2 Ortogonální transformace vektorů 476
D.3.3 Definice tenzorů 477
D.3.3.1 Násobení tenzorů 478
D.3.4 Inverze času 478
D.3.5 Materiálové veličiny jako tenzory 479
D.3.6 Redukční relace a jejich užttí 480