| Содержание
Зонная теория твердых тел. Дж. С л э т е р
Термодинамика критической точки. К. Д о м б
Первые исследования дифракции электронов. Г. П. Т о м с о
Рентгеновская кристаллография. У. Л. Брэгг

Если интересуемая информация не найдена, её можно Заказать

ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Дж. Слэтер
Вторая мировая война почти полностью прервала разработку квантовой теории и в то же время явилась могучим стимулом, во многом предопределившим направление последующих исследований. Это было в первую очередь связано с интенсивным изучением микроволновой части спектра радиоволн, необходимым для нужд радиолокационной промышленности.
Физики, которые на время войны превратились в радиоинженеров, возвращались в свои лаборатории, обогащенные глубокими познаниями из области электроники и микроволновой (радиотехники. Это не замедлило проявиться в том, что возникли новые мощные методы экспериментального изучения свойств твердых тел, молекул и атомов с помощью высокочастотного радиоизлучения, такие, как парамагнитный резонанс, радиоспектроскопия, циклотронный резонанс и др.
Еще одним результатом радиолокационных исследований был (возросший интерес к свойствам электронов в твердом теле. В радиолокаторах военного времени кремниевые выпрямители использовались почти так же широко, как и ранее в радиотехнике свинцовый блеск (галенит).
В конце (войны были обнаружены удивительные свойства германия, который в химическом отношении похож на кремний. Это послужило началом обширной программы интенсивных исследований свойств германия и кремния- Оказалось, что они являются полупроводниками, и тем, кто работал в этой области, пришлось вспомнить то, что было почти забыто за время войны,—зонную теорию твердых тел, которая объясняла свойства полупроводников. Было понято также и то, что уникальные электрические свойства полупроводников могут найти, помимо (радарных установок, широчайшее практическое применение в самых различных отраслях науки и техники, а также в быту. К их исследованию были привлечены лучшие научные силы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Шокли и Бардин принадлежали к тому поколению физиков, которое сформировалось в тридцатых годах и было хорошо знакомо с квантовой теорией твердых тел. Эти физики сумели перебросить мост между почти эмпирическим поиском необходимых полупроводников, бытовавшим тогда в технике, и той уже существовавшей на первый взгляд абстрактной теорией, которую они сумели превосходно осмыслить. В результате этого был создан транзистор, а выполненная затем обширнейшая программа исследований завершилась революцией во всех инженерных приложениях электроники, где транзисторы пришли на смену радиолампам.
Благодаря огромной коммерческой выгоде новых методоз изучение электрических свойств кристаллов, имевшее до того чисто научный интерес, превратилось в практическую задачу первостепенной важности. В послевоенные годы она привлекла к себе внимание значительной части физиков.
В ходе практических инженерных разработок высокочастотные методы исследования свойств твердого тела получали все большее применение. Их популярность достигла максимума в 1960 г. В это время стало совершенно очевидным, насколько они эффективны. Высокочастотное поле привлекло пристальное внимание физиков-
Существенную роль в успехе экспериментальных исследований сыграла разработанная также в военные годы простая техника получения жидкого гелия. Дело в том, что наиболее интересные резонансные явления в твердом теле наблюдаемы только при очень низких температурах, когда сопротивление становится малым. Если бы получение столь низких температур было сопряжено с такими же большими трудностями, как и ранее, то такие стремительные темпы изучения свойств полупроводников были бы невозможны.
Следующим обстоятельством, сыгравшим существенную роль в развитии экспериментальных методов физики твердого тела, было развитие (также во время войны) техники получения чистых кристаллов (или же кристаллов с регулируемым количеством примесей). Во время войны эта техника оказалась необходимой для производства кристаллических выпрямителей с контролируемыми свойствами.
Наконец, последним достижением военных лет, которое оказалось полезным при изучении ряда вопросов физики твердого тела, было получение экспериментальных данных о дифракции нейтронов в кристаллах. Последнее, разумеется, было связано с появлением ядерных реакторов. Нейтроны дифрагируют на кристаллах во многом аналогично рентгеновским лучам, с одной только существенной разницей: из-за наличия у нейтронов магнитного момента дифракционная картина оказывается зависящей от магнитных свойств просвечиваемого кристалла. Уже в результате классических работ Макса фон Лауэ и Брэгга, выполненных еще в 1913 г., стало ясно, что дифракция рентгеновских лучей на кристаллах несет в себе информацию о распределении электрического заряда в их атомах и ее изучение может послужить методом экспериментального определения этого распределения. В своих ранних работах Дуглас Хартри связал 'полученные таким образом экспериментальные распределения с рассчитанными теоретическими волновыми функциями электронов в атомах. Совершенно аналогично этому изучение дифракции нейтронов позволяет получить информацию о распределении магнитного ноля внутри атома- Клиффорд Шулл с сотрудниками сумели довести эту технику до такого уровня, когда с ее помощью стало возможно изучать проблемы ферромагнетизма, антиферромагнетизма и другие магнитные свойства твердых тел.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
В пятидесятых годах, используя перечисленные методы наряду с некоторыми другими, удалось накопить огромную экспериментальную информацию о свойствах твердых тел. В то же время совершенствовались теоретические методы, позволившие добиться значительных успехов на пути построения соответствующей квантовой теории. Эти успехи тесней-шим образом связаны с интенсивным развитием электронной вычислительной техники, которое началось также в начале пятидесятых годов и продолжается быстрыми темпами в настоящее время.
Еще до войны стало ясно, что квантовая теория, -появившаяся в 1926 г., ставит перед физиками необычайно трудные математические проблемы. Преодоление этих трудностей считалось в довоенный период основной задачей, и теоретики отдавали больше сил отысканию 'различного рода аппроксимаций, чем непосредственной разработке фундаментальных физических проблем.
Уже тогда стала очевидна необходимость и эффективность численных -методов расчета и вычислительной техники. Например, Хартри пользовался дифференциальным анализатором, сконструированным Бушем, и сам построил аналогичную машину в Англии. Однако эта аналоговая машина подчас не могла обеспечить необходимой точности вычислений: в большинстве задач ее точность не превосходила 0,1%. Точность же появившихся после войны электронно-вычислительных машин почти неограниченна, благодаря чему открылась новая эра в приложениях численных методов к квантовой теории.
Я хорошо помню, как энтузиасты ценой огромного труда пытались просчитать некоторые основные задачи квантовой теории твердого тела на -первых, весьма несовершенных электронно-вычислительных машинах. Тогда, в пятидесятых годах, еще не было налажено их серийное производство и физикам приходилось добиваться специального разрешения, чтобы использовать эти в то время уникальные машины, на которых можно было численно решать важнейшие квантовомеханические задачи. В ряде случаев они добились блестящих успехов.
Только в последние 10 лет производство вычислительных машин достигло той стадии, когда стало практически возможным их широко использовать для проведения всей необходимой вычислительной работы.
Естественно, что те физики, которые прежде уже работали над теорией энергетического спектра твердых тел, сгорали от нетерпения как можно скорее увидеть результаты численных расчетов. Однако первым машинам, которые имелись тогда в нашем распоряжении, эта задача была не по плечу. Она оказалась под силу только большим вычислительным машинам, так что к непосредственным расчетам мы смогли приступить лишь в самом конце пятидесятых годов.