Настоящая книга основана на курсах лекций авторов по основам физики металлов и электронным свойствам твердых тел. Эти лекции в течение последних лет читаются в Иллинойс-ском университете (США) для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся по металловедению и электротехнике. По замыслу авторов она может служить учебником для инженерных и физико-технических факультетов вузов, где в учебную программу включена физика твердого тела или отдельные ее разделы.
Книга написана просто и ясно; она содержит почти все основные вопросы физики твердого тела, позволяет читателю войти в круг проблем и интересов этой важной области физики и получить представление о задачах, которыми она занимается.
В книге рассмотрены строение кристаллов и те их свойства, которые обусловлены кристаллической решеткой,— тепловые свойства, дислокации и другие дефекты (гл. 2—6); даны основные сведения из атомной физики и квантовой механики и на этой основе развита электронная теория твердого тела (гл. 7—10, 12), и, наконец, изложена физика металлов, ионных кристаллов и полупроводников (гл. 11, 13—20). Последняя глава (гл. 21) представляет собой обзор методов магнитного резонанса и некоторых их применений.
Включенные в книгу вопросы, разумеется, далеко не исчерпывают всех проблем физики твердого тела. Мало внимания уделено связи между свойствами кристаллов и их симметрией, методам определения структуры кристаллов, сверхпроводимости; не отражен такой интересный вопрос, как применение эффекта Мессбауэра для исследования свойств твердых тел.
Разумеется, включение этих и других не менее достойных упоминания вопросов значительно увеличило бы размеры книги. Но при составлении вводного общего курса заданного объема по столь обширному предмету, как физика твердого тела, главной
задачей является не энциклопедичность содержания, а раскрытие физических идей и методов исследования, доступность изложения, тщательность отбора материала, короче говоря, выполнение научно-педагогических требований. С этой точки зрения книга обладает большими и несомненными достоинствами.
Важная и трудная задача — обстоятельно ознакомить читателя с основными представлениями теории твердого тела на современном уровне, привлекая при этом лишь минимальный математический аппарат,— решена авторами весьма удачно. При этом используются те физические модели, которые явно (или неявно) лежат в основе более строгих исследований, посвященных теории твердого тела. Именно умелое использование модельных представлений позволило авторам дать простое и наглядное объяснение многих сложных явлений на вполне современном уровне. Как правило, авторы указывают на ограничения, накладываемые на модель при построении теории того или иного явления, и поэтому вдумчивому читателю нетрудно представить себе, какие обобщения и уточнения должны быть сделаны для более подробного и полного описания. Тщательно проработав весь материал данной книги и решив предлагаемые задачи, читатель получит необходимый минимум знаний для последующего детального изучения любой области физики твердого тела, избранной в качестве узкой специальности. Здесь следует указать, что за последние годы достигнут значительный прогресс в разработке методов теоретического исследования твердых тел, знакомство с которыми является необходимым последующим этапом в подготовке специалиста высшей квалификации.
Перевод книги публикуется полностью, без каких-либо сокращений и изменений. В отдельных случаях даны краткие примечания и расширены списки дополнительной литературы для дальнейшего изучения (здесь указаны наши отечественные и переводные монографии и учебники).
Книгу Ч. Уэрта и Р. Томсона можно рекомендовать вниманию студентов университетов и физико-технических вузов, начинающих изучать физику твердого тела, а также научным работникам других специальностей, желающим ознакомиться с этой областью физики.
Перевод выполнен Б. Д. Суммом (гл. 1—6) и А. С. Пахо-
мовым (гл. 7—21).
Проф. С. В. Т обликов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Уже в самом начале своей преподавательской деятельности я стал интересоваться тем, как, образно говоря, перекинуть мост между инженером-металлургом и физиком-теоретиком, исследующим атомные свойства твердых тел, в особенности те свойства, которые в ту пору начали разъясняться с позиций квантовой механики. Сейчас во всех отраслях металлургии только что завершен процесс освоения идей физической химии. В то же время открытый квантовой механикой мир атомных процессов все еще остается таинственным для всех, кроме немногих физиков и химиков — специалистов в этой области. Заинтересовавшись указанной выше проблемой, я прочитал серию лекций для металлургов-практиков и для студентов высшей школы, обучавшихся металлургии. В конце концов эта работа вылилась в небольшую книгу «Физика металлов». Эта книга описательна по своему характеру, и в ней с предельной тщательностью выдержан традиционный характер изложения.
За время, прошедшее с тех пор, не только развились десятки новых направлений в теории металлов, но и выросло несколько новых поколений металлургов, которые несут сейчас основную ответственность за развитие этой отрасли техник^- Вместе с тем физика наряду с химией стала одной из главных дисциплин при подготовке металлургов. Курс, который двадцать лет назад выглядел довольно экзотично, теперь стал основным в институтском учебном плане как для студентов-металлургов, так и для студентов других специальностей. Действительно, сейчас в этот курс можно включать количественные аспекты научной дисциплины, о самом существовании которой двадцать лет назад почти че решались говорить даже с наиболее одаренными студентами металлургических институтов. Более того, в наше время металлург работает (и гордится этим) с гораздо более обширным кругом твердых тел. «Владения» металлургов уже не ограничиваются классическими объектами (металлами и сплавами), а распростра-
нились на полупроводники, ионные и валентные кристаллы. Короче говоря, современный металлург должен иметь представление о всем комплексе наук о твердом теле, чтобы уметь отобрать необходимое для решения стоящих перед ним научных и инженерных задач. В таком же положении находятся инженеры многих других специальностей: им тоже необходимы широкие научные знания о твердом теле.
Эта прекрасная книга идейно связана с моей старой работой, но почти во всех отношениях уровень изложения здесь гораздо выше. Для молодых инженеров данная книга может служить в качестве вводного курса, а лет тридцать назад она могла быть учебником для аспиранта-физика, специализирующегося в области твердого тела. Авторы — сотрудники факультета металлургии, преподавание в котором ведется на самом современном уровне. Этот факт наглядно демонстрирует, что сейчас любая область техники непрерывно впитывает все новейшие чисто научные достижения, которые имеют значение для развития прикладных наук, связанных с этой отраслью промышленности.
Фредерик Зейтц, декан физического факультета
Иллинойсский университет, Урбана, шт. Иллинойс
ОТ АВТОРО В
Начало работы над этой книгой связано с предложением, которое получили ее авторы. Речь шла о том, чтобы вместе с Фредериком Зейтцем переработать его «Физику металлов» — одну из первых и наиболее удачных книг по физике твердого тела, написанных на уровне, доступном для широкой аудитории. Подготовка нового варианта растянулась на несколько лет, и профессор Зейтц из-за недостатка времени вынужден был отказаться от продолжения этой работы. В нашей книге сохранена традиция, начало которой положила «Физика металлов». Эта традиция основана на убеждении, что значение физики твердого тела выходит далеко за пределы узкой специальной области. Но этим не исчерпывается влияние профессора Зейтца на содержание данной книги: оно гораздо шире, ибо педагогическая и научно-исследовательская деятельность обоих авторов протекает в той особой интеллектуальной атмосфере, которая создана в значительной мере усилиями профессора Зейтца. Таким образом, хотя на титульном листе нет имени Зейтца, нам приятно отметить важную роль, которую он фактически сыграл в окончательной отработке рукописи.
Книга задумана главным образом как учебник промежуточного уровня. Основная часть материала разрабатывалась в течение восьми лет в процессе преподавания курсов физики металлов — металлургам и электронных свойств твердых тел — инженерам-электротехникам. Основную массу наших слушателей составляли студенты последних курсов, а также аспиранты первого года обучения, специализирующиеся по техническим дисциплинам. Многие аспиранты использовали свои лекционные записи при подготовке к экзаменам на ученую степень.
Мы считаем, что книга действительно соответствует промежуточному уровню: ее содержание доступно большинству студентов последних курсов с расширенной программой обучения. Однако изложение не является только качественным: всюду, где
это представлялось возможным, привлекались количественные выводы. Разумеется, физические модели и теоретические рассуждения часто не столь глубоки, как в университетских курсах. Тем не менее мы полагаем, что основные представления изложены верно, и студенту, который начнет впоследствии изучать расширенные курсы, не придется переучиваться заново.
По нашему мнению, в книге есть три главных раздела. Первые шесть глав посвящены кристаллической структуре твердых тел и зависящим от нее свойствам (кроме электронных). В гл. 7—10 и 12 описаны электронные свойства твердых тел. Гл. 11 и 13—21 представляют приложение электронной теории к анализу электрических и магнитных свойств металлов, полупроводников и ионных кристаллов. Эти последние главы расположены определенными группами, которые почти не зависят друг от друга. Поэтому книга может быть полезной для широкого круга читателей, которые смогут выбрать нужные им главы.
В работе над рукописью нам помогали многие коллеги и студенты. Некоторые из них давали советы по специальным вопросам, другие касались более широких проблем. Их замечания помогли улучшить и содержание, и стиль изложения многих разделов. Мы приносим глубокую благодарность за эту помощь.
Многочисленные таблицы и иллюстрации заимствованы из более ранних публикаций. Мы выражаем нашу признательность издателям этих публикаций. В соответствующем месте приведена подробная библиография использованных источников. Мы также благодарим тех, кто прислал нам свои оригинальные экспериментальные результаты и фотографии.
ч. УЭРТ
Р. ТОМСОН
ОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора перевода ........... 5
Предисловие.............. 7
От авторов.............. g
1. Введение.............. ц
§ 1. Перспективы материаловедения....... 11
§ 2. Цель книги............ 15
§ 3. Единицы измерений.......... 16
§ 4. Общие свойства твердых тел........ 16
Задачи............. 20
2. Геометрия совершенных кристаллов....... 21
§ 1. Симметрия кристаллов......... 21
§ 2. Теория связи........... 22
§ 3. Типичные кристаллические структуры...... 26
§ 4. Общие геометрические свойства простых структур ... 34
§ 5. Кристаллографические обозначения...... 36
§ 6. Определение структуры кристаллов...... 41
Задачи............. 46
3. Несовершенства в кристаллах......... 49
§ 1. Общие замечания.......... 49
§ 2. Тепловые колебания.......... 50
§ 3. Тепловая энергия твердых тел....... 54
§ 4. Теплоемкость твердых тел (классическая модель) ... 58
§ 5. Флуктуации энергии.......... 61
§ 6. Смещенные атомы.......... 64
§ 7. Вакансии и атомы внедрения........ 66
§ 8. Образование точечных дефектов....... 71
§ 9. Электронные дефекты.......... 71
Задачи............. ' *
4. Диффузия............. '"
§ 1. Общие замечания.......... 75
§ 2. Особенности диффузии в кристаллах...... 76
§ 3. Диффузия в сплавах типа твердых растворов внедрения . . 78
§ 4. Диффузия за счет движения вакансий...... 80
§ 5. Перемещение атомов на большие расстояния .... 82
§ 6. Макроскопическая диффузия........ 87
§ 7. Диффузия в жидкостях......... 92
Задачи............. 95
5. Растворы и химические соединения металлов...... 99
§ 1. Общие замечания.......... 99
§ 2. Фазовая диаграмма.......... 100
§ 3. Упорядоченные растворы........ 102
§ 4. Фазовые превращения......... 103
§ 5. Фазовые диаграммы эвтектического типа..... 106
§ 6. Фазовые диаграммы перитектического типа .... 108
§ 7. Системы с образованием химических соединений . . . 109
§ 8. Сплавы полупроводников ........ 111
§ 9. Сплавы трех или более элементов....... 116
§ 10. Факторы, влияющие на фазовое равновесие . . . . 117
§ 11. Сплавы типа растворов внедрения....... 121
Задачи............. 123
6. Дислокации............. 126
§ 1. Краевые дислокации.......... 126
§ 2. Винтовые дислокации.......... 128
§ 3. Общие свойства дислокаций........ 129
§ 4. Энергия дислокаций.......... 133
§ 5. Движение дислокаций: переползание и скольжение . . . 137
§ 6. Пластическая деформация........ 142
§ 7. Подвижность и размножение дислокаций..... 149
§ 8. Взаимодействие дислокаций........ 152
Задачи............. 155
7. Физика субмикроскопических частиц; квантовая механика . . . 157
§ 1. Принцип неопределенности Гейзенберга.....158
§ 2. Волновые функции и уравнение Шредингера .... 161 § 3. Уравнение Шредингера, не содержащее времени . . . 163
§ 4. Волновые функции свободных частиц......164
§ 5. Квантование энергии; частица в потенциальном ящике . . 167 § 6. Частица в трехмерном потенциальном ящике .... 171
§ 7. Квантовое состояние и вырождение......173
§ 8. Краткие выводы...........175
Задачи.............175
8. Атомная физика............178
§ 1. Введение............178
§ 2. Спин электрона...........179
§ 3. Атом водорода...........180
§ 4. Момент количества движения ....
§ 5. Принцип запрета Паули ...,'''• ^
§ 6. Энергетические уровни атома лития '. ' ' ' ' {?„
§ 7. Периодическая система элементов ..,'"' JQ?
§ 8. Заключение..... ..... 1х5
Задачи.......'••'.'.' 200
9. Электронные состояния в твердых телах .... 202
§ 1. Энергетические полосы........ „02
§ 2. Подвижность электронов.....'.'.'' 9(И
§ 3. Энергия Ферми......... ' ' 208
§ 4. Эффективная масса электрона •-.'.'.','.'. 213 § 5. Плотность электронных состояний . . . . . ' '214 § 6. Экспериментальное изучение зонной структуры' и сравнение
опытных данных с простой теорией......217
§ 7. Потолок энергетической зоны; зоны Бриллюэна . '. '. 223
§ 8. Электроны и дырки..........226
Задачи.............'229
10. Основные типы твердых тел.........233
§ 1. Металлы ............ 235
§ 2. Ионные кристаллы.......... 245
§ 3. Ковалентные кристаллы......... 253
§ 4. Молекулярные кристаллы........ 259
Задачи............. 262
11. Процессы переноса и теплоемкость металлов.....264
§ 1. Теплоемкость металлов......... 265
§ 2. Функция Ферми.......... 270
§ 3. Электропроводность металлов. Время релаксации . . . 271
§ 4. Время релаксации.......... 275
§ 5. Закон Джоуля — Ленца......... 278
§ 6. Аддитивная природа электросопротивления. Правило Мат-
тисена............. 279
§ 7. Температурная зависимость электропроводности . . . 282
§ 8. Эффект Холла........... 282
§ 9. Теплопроводность валентных электронов..... 285
§ 10. Сверхпроводимость.......... 293
Задачи............. 299
12. Физические свойства полупроводников.......302
§ 1. Введение............ 3°2
§ 2. Зонная структура кремния и германия..... 305
§ 3. Примесные электронные состояния в полупроводниках . . 313
§ 4. Энергия Ферми в полупроводниках...... 321
§ 5. Уровень Ферми в примесных полупроводниках .... 325
§ 6. Контактная разность потенциалов....... 329
Задачи............. •"'
13. Полупроводниковые устройства........
§ 1. Общие замечания..........
§ 2. Проводимость полупроводников.......
§ 3. Полупроводниковый выпрямитель.......
§ 4. Туннельный диод..........
§ 5. Транзистор............
§ 6. Проблемы рекомбинации.........
§ 7. Производство полупроводниковых устройств .... Задачи .............
14. Ионные кристаллы...........
§ 1. Введение............
§ 2. Ионная связь; энергия Маделунга......
§ 3. Несовершенства ионных кристаллов; ионная проводимость .
§ 4. Зонная структура..........
§ 5. Центры окраски и люминесценция.......
Задачи.............
15. Макроскопические электромагнитные свойства твердых тел . Задачи .............
16. Свойства диэлектриков в статических полях......
§ 1. Основные характеристики........
Диэлектрическая восприимчивость газов......
§ 2. Наведенная поляризация........
§ 3. Ионная поляризация.........
§ 4. Ориентационная поляризация.......
§ 5. Смешанная поляризация.........
Диэлектрическая восприимчивость жидкостей и твердых тел , § 6. Эффективное поле и наведенная поляризация ....
§ 7. Поляризация ионных кристаллов.......
§ 8. Ориентация диполей.........
§ 9. Электрострикция и пьезоэлектричество.....
§ 10. Сегнетоэлектричество.........
Задачи .............
17. Диэлектрические потери..........
§ 1. Общие замечания..........
§ 2. Дипольная релаксация.........
§ 3. Резонансное поглощение.........
§ 4. Выводы..............
Задачи .............
18. Диамагнетизм и парамагнетизм........
§ 1. Введение.............
§ 2. Диамагнетизм...........
^ 3. Парамагнетизм...........
§ 4. Температурная зависимость магнитной восприимчивости .
§ 5. Природа постоянных магнитных моментов..... 445
§ 6. Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел .... 448
Задачи............. 454
19. Ферромагнетизм; физическая природа....... 456
§ 1. Введение............ 456 f
§ 2. Свойства чистых ферромагнитных материалов .... 457
§ 3. Природа ферромагнитного состояния...... 458
§ 4. Зависимость намагниченности от температуры .... 462
§ 5. Сплавы............. 466
§ 6. Антиферромагнетизм ......... 469 j
§ 7. Ферриты ............ 470 ;
Задачи............. 473
20. Ферромагнитные домены.......... 475 j
§ 1.' Введение............ 475
Доменная структура........... 476
§ 2. Основы геометрии доменов ферромагнетиков .... 476 >
§ 3. Петля гистерезиса.......... 479 '
§ 4. Обменная энергия.......... 482
§ 5. Энергия магнитной анизотропии ....... 483
§ 6. Доменная стенка.......... 485 ,
§ 7. Магнитострикция.......... 487
§ 8. Магнитостатическая энергия........ 490
§ 9. Итоги рассмотрения энергии ферромагнетика .... 492
Магнитно-мягкие материалы......... 493
§ 10. Введение............ 493
§ 11. Материалы для трансформаторов....... 496
Постоянные магниты........... 499 \
§ 12. Желаемые характеристики........ 499
Задачи............. 503
21. Резонанс ............. 506 ;
§ 1. Введение............ 506
§ 2. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)...... 507
§ 3. Электронный спиновый резонанс (ЭСР)..... 525
Задачи............. 540
Приложение. Единицы измерения физических величин и их
размерности......... 542
Предметный указатель........... 548
Цена: 300руб.