Grundriß Der Festkörperphysik

ISBN-13: 9783528040864 / Niemiecki / Miękka / 1979 / 208 str.

Helmut Lindner

Opis

Aus den sehr zahlreich gewordenen Sonderzweigen der Physik tritt das Gebiet der Festkorperphysik immer markanter und bedeutungsvoller hervor. In ihrem Mittel punkt steht die Frage, wie die fast unerschopfliche Fiille naturlicher und technologisch geschaffener Eigenschaften der festen Korper von Grund auf, d. h. aus ihrem ato maren Feinbau heraus, zu verstehen ist. Mit deren Beantwortung weist sie sogleich Wege und Moglichkeiten auf, diese fur die verschiedensten Zweige der menschlichen Produktion gezielt zu verandern und neu zu synthetisieren. Die Festkorperphysik durchdringt daher fast aIle ubrigen Teilgebiete der Physik und ist im Grunde genom men nichts anderes als eine auf die speziellen Probleme der festen Korper angewandte allgemeine Physik. Dabei zeigt sich, daB trotz aller Verschiedenheit der makroskopisch zutage tretenden Phanomene die mechanischen, thermischen, optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften fast ausschlieBlich aus der Struktur, d. h. der Anordnung der kleinsten Teilchen, resultieren. 1m Vordergrund aller Betrachtungen stehen daher immer wieder das Kristallgitter und die in ihm wirkenden Krafte und Wechselwirkungen. Jeder 1ltudierende der technischen Wissenschaften, aber auch jeder Werktatige, der verantwortungsbewuBt an der Weiterentwicklung der Technik mitarbeitet, sollte sich daher die Grundlagen, Anwendungsmoglichkeiten und Entwicklungstendenzen der Festkorperphysik zu eigen machen. In diesem Sinne solI das Buch helfen, einen ersten Einblick in die fur dieses Gebiet typischen Begriffe und Denkmodelle zu ver mitteln, die fiir ein weiteres V ordringen und die Bewaltigung speziellerer Pro bleme unerlaBlich sind.

Spis treści

1. Kristalle und Kristallgitter.- 1.1. Kristallsysteme.- 1.2. Das Gesetz der rationalen Indizes.- 1.3. Das Kristallgitter.- 1.3.1. Die primitive Elementarzelle.- 1.3.2. Die Bravais-Gitter.- 1.3.3. Wigner-Seitz-Zellen.- 1.3.4. Netzebenen.- 1.3.5. Praktisch wichtige Gittertypen.- 1.4. Die Ermittlung der Kristallstruktur.- 1.4.1. Die Beugung von Röntgenstrahlen am Kristallgitter.- 1.4.2. Die Braggsche Bedingung.- 1.4.3. Experimentelle Verfahren der Röntgenbeugung.- 1.4.4. Die Beugung von Neutronen am Kristallgitter.- 1.5. Das reziproke Gitter.- 1.5.1. Der Wellenzahlvektor.- 1.5.2. Reziproke Vektoren.- 1.5.3. Der reziproke Gittervektor.- 1.5.4. Reziproke Gitter.- 1.6. Brillouin-Zonen.- 2. Die Bindungskräfte im Festkörper.- 2.1. Die Bindungsenergie.- 2.2. Bindungsarten.- 2.2.1. Die Kristalle der Edelgase.- 2.2.2. Die Ionenkristalle.- 2.2.3. Kristalle mit Atombindung.- 2.2.4. Die Kristalle der Metalle.- 3. Gitterfehler.- 3.1. Kristallite und Korngrenzen.- 3.2. Arten der Gitterfehler.- 3.3. Einzelne Fehlstellen.- 3.3.1. Leerstellen und Zwischengitterplätze.- 3.3.2. Zur Entstehung der Leerstellen.- 3.3.3. Die Ionenleitung.- 3.3.4. Fremdstörstellen.- 3.3.5. Farbzentren.- 3.4. Linienhafte Fehlordnungen.- 3.4.1. Stufenversetzung.- 3.4.2. Schraubenversetzung.- 3.5. Flächenhafte Fehlordnungen.- 3.5.1. Stapelfehler.- 3.5.2. Kleinwinkelkorngrenzen.- 3.6. Sichtbarmachung von Gitterfehlern.- 3.6.1. Ätzgrübchen.- 3.6.2. Oberflächendekoration.- 3.6.3. Röntgentopografie.- 3.6.4. Elektronenmikroskopischer Beugungskontrast.- 3.6.5. Spannungsoptischer Kontrast.- 4. Mechanische Eigenschaften der Festkörper.- 4.1. Elastische Eigenschaften.- 4.1.1. Das Hookesche Gesetz.- 4.1.2. Poissonsche Zahl und Schallgeschwindigkeit.- 4.1.3. Elastizität von Einkristallen.- 4.2. Plastische Eigenschaften.- 4.2.1. Deformation durch Schubspannung.- 4.2.2. Schubfestigkeit fester Körper.- 4.2.3. Die Verfestigungskurve polykristalliner Festkörper.- 4.3. Plastische Verformung von Einkristallen.- 4.3.1. Entstehung von Gleitpaketen.- 4.3.2. Gleitung und Versetzung.- 4.4. Verformbarkeit und Versetzungsdichte.- 4.5. Verfestigung und Versetzungen.- 4.6. Reißfestigkeit und Bindungsenergie.- 5. Gitterschwingungen und Phononen.- 5.1. Die Entstehung von Gitterschwingungen.- 5.2. Das Spektrum der Gitterschwingungen.- 5.3. Die maximale Eigenfrequenz eines Gitterbausteins..- 5.4. Phononen.- 5.4.1. Phononen als Teilchen.- 5.4.2. Arten der Phononen.- 5.5. Phononenspektren.- 5.5.1. Die Dispersionsrelation im Kristall.- 5.5.2. Die Geschwindigkeit der Phononen.- 5.6. Thermische Phononen.- 5.7. Wechselwirkungen der Phononen mit anderen Teilchen.- 5.7.1. Absorption und Streuung von Licht.- 5.7.2. Stöße zwischen Photonen und Phononen.- 5.7.3. Die Brillouin-Streuung.- 5.7.4. Streuung von Neutronen an Phononen.- 6. Thermische Eigenschaften der Festkörper.- 6.1. Die spezifische Wärmekapazität.- 6.2. Charakteristische und Debye-Temperatur.- 6.3. Die Wärmeleitung im Festkörper.- 6.3.1. Streuprozesse zwischen Phononen.- 6.3.2. Die Wärmeleitfähigkeit.- 7. Die Metalle als Stromleiter.- 7.1. Die klassische Elektronentheorie.- 7.1.1. Die Dichte des Elektronengases.- 7.1.2. Die mittlere thermische Geschwindigkeit der Elektronen.- 7.1.3. Driftgeschwindigkeit und Ohmsches Gesetz.- 7.1.4. Die Loulesche Wärme.- 7.1.5. Das Wiedemann-Franzsche Gesetz.- 7.1.6. Das Versagen der klassischen Elektronentheorie.- 7.2. Quantenmechanische Betrachtung des Elektronengases.- 7.2.1. Der k-Raum des freien Elektronengases.- 7.2.2. Fermi-Kugel und Grenzenergie.- 7.2.3. Fermi-Geschwindigkeit und Temperatur.- 7.2.4. Der elektrische Widerstand der Metalle.- 7.2.4.1. Allgemeines Verhalten.- 7.2.4.2. Die Matthiessensche Regel.- 7.2.5. Das Fermische Verteilungsgesetz.- 7.2.6. Fermi-Verteilung und Temperatur.- 7.2.7. Die Gasentartung.- 7.3. Die spezifische Wärmekapazität des Elektronengases.- 7.4. Fermi-Flächen in Metallen.- 7.4.1. Fermi-Kugeln im reziproken Gitter.- 7.4.2. Der De-Haas-van-Alphen-Effekt.- 8. Das Bändermodell.- 8.1. Die Entstehung von Energiebändern.- 8.2. Anordnungen von Energiebändern.- 8.3. Die Struktur von Energiebändern.- 8.3.1. Energieverteilung freier Elektronen.- 8.3.2. Die Entstehung von Energielücken.- 8.3.3. Energielücken und Brillouin-Zonen.- 8.3.4. Bandstruktur und effektive Masse.- 8.4. Messung der Beweglichkeit und der effektiven Masse von Ladungsträgern.- 8.4.1. Der Hall-Effekt.- 8.4.2. Die Zyklotronresonanz.- 9. Halbleiter.- 9.1. Reine (undotierte) Halbleiter.- 9.1.1. Arten der Halbleiter.- 9.1.2. Herstellung reinsten Materials.- 9.1.3. Die Eigenleitung...- 9.1.3.1. Die Entstehung der Eigenleitung.- 9.1.3.2. Elektronen und Löcher.- 9.1.3.3. Die Bandstruktur der Halbleiter.- 9.2. Dotierte Halbleiter.- 9.2.1. Entstehung der n-und p-Leitung..- 9.2.2. Das Bändermodell des dotierten Halbleiters.- 9.3. Die Trägerdichte in Halbleitern.- 9.3.1. Anwendung der Fermi-Statistik auf Halbleiter.- 9.3.2. Zustands- und Intrinsicdichte.- 9.3.3. Die Lage des Fermi-Niveaus.- 9.4. Das Massenwirkungsgesetz.- 9.5. Die Trägerbeweglichkeiten.- 9.6. Die Messung der Driftbeweglichkeit.- 9.7. Die pn-Kombination.- 9.7.1. Der stromlose pn-Übergang.- 9.7.1.1. Herstellungswege.- 9.7.1.2. Vorgänge im pn-Übergang.- 9.7.1.3. Die Entstehung der Sperrschicht.- 9.7.1.4. Der Potentialverlauf.- 9.7.1.5. Das Bändermodell des pn-Überganges.- 9.7.2. Der pn-Übergang bei Stromfluß.- 9.7.2.1. Polung in Flußrichtung.- 9.7.2.2. Polung in Sperrichtung.- 9.7.2.3. Die Kennlinie des pn-Überganges.- 9.7.3. Anwendungen.- 10. Optische Eigenschaften der Festkörper.- 10.1. Die Wirkung elektromagnetischer Strahlen.- 10.1.1. Allgemeiner Überblick.- 10.1.2. Durchlässigkeit und Brechung.- 10.1.3. Die Absorption von ?-und Röntgenstrahlen.- 10.2. Die Absorption in Metallen.- 10.3. Die Absorption in Halbleitern und Ionenkristallen.- 10.3.1. Absorptionskanten.- 10.3.2. Absorption und Elektronendichte.- 10.3.3. Direkte und indirekte Übergänge.- 10.4. Weitere Wirkungen der Strahlenabsorption.- 10.4.1. Die Fotoleitfähigkeit.- 10.4.2. Fotodioden.- 10.4.3. Fotoelemente.- 10.5. Lumineszenz….- 10.5.1. Die Stokessche Regel.- 10.5.2. Arten der Lumineszenz in Festkörpern.- 10.5.3. Injektionslichtquellen (Leuchtdioden).- 10.5.4. Leuchtkondensatoren.- 10.6. Exzitonen.- 11. Die Supraleitung.- 11.1. Supraleiter I. Art.- 11.1.1. Sprungtemperatur und Dauerstrom.- 11.1.2. Magnetfeld und Supraleitung.- 11.2. Elektronentheoretische Deutung der Supraleitung.- 11.2.1. Erste Anhaltspunkte.- 11.2.2. Cooper-Paare.- 11.2.3. Die Energielücke.- 11.2.4. Die Messung der Energielücke.- 11.3. Der Suprastrom als Quantenerscheinung.- 11.3.1. Das Flußquant.- 11.3.2. Messung des Flußquants.- 11.3.3. Der Josephson-Effekt.- 11.3.3.1. Der Josephson-Gleichstrom.- 11.3.3.2. Der Josephson-Wechselstrom.- 11.4. Supraleiter II. Art.- 11.4.1. Kritische Größen.- 11.4.2. Flußschläuche.- 11.4.3. Harte Supraleiter..- 12. Magnetische Eigenschaften der Festkörper.- 12.1. Magnetische Grundeigenschaften und Grundgrößen.- 12.1.1. Grundgrößen des magnetischen Feldes.- 12.1.2. Allgemeines Verhalten der Stoffe im Magnetfeld.- 12.2. Der atomare Ursprung des Magnetismus.- 12.2.1. Das magnetische Bahn-und Spinmoment.- 12.2.2. Dia- und paramagnetische Festkörper.- 12.2.3. Der Paramagnetismus der Metalle.- 12.3. Struktureller Magnetismus.- 12.3.1. Spinstrukturen.- 12.3.2. Spinstruktur und Atombau.- 12.3.3. Die Austauschenergie.- 12.4. Der Ferromagnetismus.- 12.4.1. Die Magnetisierungskurve.- 12.4.2. Ferromagnetismus und Temperatur.- 12.4.3. Domänen.- 12.4.4. Die Bloch-Wände und ihre Verschiebung.- 12.5. Der Antiferromagnetismus.- 12.6. Der Ferrimagnetismus.- 12.6.1. Allgemeine Eigenschaften ferrimagnetischer Stoffe.- 12.6.2. Zylinderdomänen in dünnen Schichten.- 12.6.3. Bewegung und Detektion von Zylinderdomänen.- 13. Die dielektrischen Eigenschaften der Festkörper.- 13.1. Das elektrische Feld im Festkörper.- 13.1.1. Die Feldgrößen.- 13.1.2. Die Entelektrisierung.- 13.2. Atomare Ursachen der Polarisation.- 13.2.1. Die permanente Polarisation.- 13.2.2. Die Verschiebungspolarisation.- 13.2.3. Die Orientierungspolarisation.- 13.2.4. Polarisierbarkeit und Dielektrizitätszahl.- 13.3. Ferroelektrische Erscheinungen.- 13.3.1. Ferroelektrische Dielektrika.- 13.3.2. Die Sättigungspolarisation.- 13.3.3. Ferroelektrizität und Temperatur..- 13.3.4. Ferroelektrische Hysteresis und Domänen.- 13.3.5. Antiferroelektrische Kristalle.- 13.4. Die Piezoelektrizität.- 13.4.1. Piezoelektrizität und Druckspannung.- 13.4.2. Atomare Ursache der Piezoelektrizität.- 13.4.3. Ferroelektrische Keramiken.- 13.4.4. Der inverse piezoelektrische Effekt.- 13.4.5. Wirkungsgrad und Anwendungen des piezoelektrischen Effektes.- 14. Atomphysikalische Grundlagen.- 14.1. Anzahl, Masse und Raumbeanspruchung der Atome.- 14.2. Ergebnisse der klassischen Wärmetheorie.- 14.3. Das Maxwell-Boltzmannsche Verteilungsgesetz.- 14.4. Wellen und Teilchen.- 14.4.1. Energiequanten.- 14.4.2. Energie und Impuls von Teilchen und Strahlungsquanten.- 14.4.3. Der Dualismus Welle-Teilchen.- 14.5. Das Bohrsche Atommodell.- 14.5.1. Die Bestandteile des Atoms.- 14.5.1.1. Der Atomkern.- 14.5.1.2. Die Atomhülle.- 14.5.2. Die Bohrschen Postulate.- 14.5.3. Das Wasserstoffatom.- 14.5.3.1. Der Atomradius.- 14.5.3.2. Die Energie des kreisenden Elektrons.- 14.5.3.3. Anregung und Serienformeln.- 14.5.3.4. Ionisierung.- 14.5.4. Die weiteren Quantenzahlen.- 14.5.4.1. Die Hauptquantenzahl n.- 14.5.4.2. Die Nebenquantenzahl l.- 14.5.4.3. Die magnetische Quantenzahl m.- 14.5.4.4. Die Spinquantenzahl s.- 14.5.5. Der Aufbau der größeren Atome.- 14.5.5.1. Das Pauli-Prinzip.- 14.5.5.2. Schalenbau und Periodensystem.- 14.6. Das Orbitalmodell.- 14.6.1. Die Weiterführung der Quantentheorie.- 14.6.2. Die physikalische Bedeutung der Wellenfunktion.- 14.6.3. Beispiele für Orbitalmodelle.- Anhang: Tabelle 11. Eigenschaften fester Körper.- Tabelle 12. Eigenschaften von Halbleitern.- Literatur- und Quellenverzeichnis.- Bildquellenverzeichnis.- Sachwortverzeichnis..

O autorze

Helmut Lindner (1907 - 1983) ist Autor vieler bekannter und gut eingeführter Standard-Lehrbücher und Aufgabensammlungen zur Physik.