Физика твердого тела

В учебном пособии, помимо традиционно сложившихся разделов физики твердого тела, отражены некоторые современные направления науки, такие как физика фотонных кристаллов, наномасштабная физика, фрактальные представления о структуре кристаллических тел. Теоретический материал каждой главы книги дополнен задачами с решениями. Для студентов и аспирантов высших технических учебных заведений, а также преподавателей физики и других естественнонаучных дисциплин в технических вузах.

Изложены теоретические основы квантово-химических методов расчета молекул, молекулярных систем и твердых тел, а также современные воззрения на химическую связь и межмолекулярные взаимодействия. Рассмотрены способы интерпретации результатов квантово-химических расчетов и методы расчета свойств химических веществ. Материал, необходимый как химику-исследователю, так и химику-технологу для практической работы в условиях современных наукоемких производств, представлен в доступной форме с широким привлечением иллюстраций. Для студентов, аспирантов, докторантов, преподавателей химических факультетов классических, педагогических и технологических университетов, а также для широкого круга специалистов в различных областях химии, физики, биологии и материаловедения.

Учебное пособие представляет собой систематизированное и доступное изложение курса физики твердого тела, содержащее основные элементы физики конденсированного состояния и ее приложения для описания физических свойств твердых тел и процессов, происходящих в них. В книге подробно затрагиваются вопросы строения кристаллов и аморфных твердых тел, рассматриваются типы межатомных связей и их влияние на структуру веществ. Приводятся основные положения теории колебаний атомов в кристаллической решетке, описаны тепловые, магнитные и диэлектрические свойства конденсированных сред. В учебном пособии отражены необходимые сведения из атомной физики и квантовой механики, и на этой основе – зонная теория твердых тел и электронные процессы в них. Рассматриваются основные положения теории сверхпроводимости и фазовых переходов. Книга написана доступным языком с привлечением математического аппарата в объеме вузовских курсов по математике. Учебное пособие рассчитано на студентов инженерных факультетов, изучающих физику твердого тела или отдельные ее разделы, а также может быть полезно научным работникам смежных с физикой областей науки, желающим ознакомиться с основными положениями и методами физики твердого тела.

Подробно изложены основы современной физики твердого тела. Большое внимание уделено описанию и формированию структуры твердых кристаллических и аморфных тел, дефектов строения твердых тел, спектров энергетических состояний в твердых телах, а также тепловым, электрическим, магнитным, оптическим свойствам твердых тел и вопросам сверхпроводимости. Кратко изложены основные физические методы исследования, используемые в физике твердого тела. Рассмотрено применение изучаемых явлений в устройствах современной техники, например в устройствах магнитной записи, в магнитострикционных преобразователях, различных устройствах на основе полупроводниковых p–n-переходов: свето- и лазерных диодах, полупроводниковых генераторах напряжения, транзисторах и др. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ЕГУ им. И.А. Бунина. Для студентов технических университетов и вузов.

Книга представляет собой учебное пособие по курсу с одноимённым названием, который читается автором в течение многих лет студентам Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ). Описаны характеристики жидкого состояния вещества, строение аморфных и кристаллических твёрдых тел, физические свойства твёрдых тел, механические характеристики твёрдых тел, физическая природа разрушения материалов, ультразвук и его взаимодействие с веществом, электрические явления в твёрдых телах, техническое использование некоторых свойств твёрдых тел. Кроме этого, излагаются традиционные разделы классической физики. Для студентов и преподавателей высших и средних учебных заведений.

Эта книга – одна из первых в мировой литературе монографий, посвященных тепловым процессам в наномасштабных системах. Проанализированы классические и современные представления о теплофизике нанообъектов. Рассмотрены механизмы переноса тепла в различных наноструктурах, методы вычисления теплопроводности, в том числе в нанопроволоках и нанотрубках, нанокомпозитах и наножидкостях. Проведен анализ радиационного теплопереноса на наномасштабах. Особое внимание уделено роли межфазных границ и влиянию размерных (классических и квантовых) эффектов, приводящих к особенностям и аномалиям теплопереноса. Отражено современное состояние интенсивно развивающихся областей теплофизики – нанотермогидродинамики и нанотермоэлектричества. Для студентов, аспирантов и специалистов в области физики твердого тела, нанонауки и нанотехнологий, физики и техники низких температур, энергетики и теплофизики.

Монография посвящена описанию физических свойств поверхности, современных экспериментальных методов ее исследования и теоретических методов расчета поверхностных и адгезионных характеристик различных материалов. Представлены разработанные авторами методы, позволяющие в хорошем согласии с экспериментом рассчитывать основные характеристики свойств поверхности и взаимодействия различных материалов вдоль межфазной границы раздела. Для специалистов по физике твердого тела, аспирантов и студентов вузов физико-технических специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 10-02-07011

Рассмотрены основные закономерности формирования структуры и оптических характеристик примесных центров люминесценции в кристаллофосфорах на основе щелочно-галоидных кристаллов. Ввиду простоты структуры щелочно-галоидных кристаллов они являются удобным модельным объектом для демонстрации указанных закономерностей, а также для применения экспериментальных и теоретических методов изучения структуры примесных дефектов и формирования спектров поглощения и излучения света такими дефектами. Полученные закономерности легко распространяются и на другие кристаллофосфоры. Описано применение методов EXAFS- и XEOL-спектроскопии для исследования локальной структуры примесных дефектов в кристаллофосфорах. Данные методы позволяют получать структурную информацию, недоступную для других методов исследования. Для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области физики твердого тела, радиационной физики, физики люминофоров.

В монографии изложено современное состояние фундаментальных исследований карбидов вольфрама, широко применяемых в технике. Проведен симметрийный анализ превращений беспорядок–порядок и порядок–порядок в низших нестехиометрических карбидах вольфрама W C, описаны фазовые равновесия в системе вольфрам–углерод и родственных тройных системах, построена равновесная фазовая диаграмма системы W–C. Впервые описаны методы синтеза карбидов вольфрама с разным размером частиц (зерен) – от крупнозернистых до нанокристаллических, обсужден дифракционный метод оценки размера малых частиц и микронапряжений, рассмотрена зависимость стабильности состава карбидов вольфрама при высоких температурах на воздухе и в вакууме от размера частиц (зерен). Описаны особенности применения нанокристаллического монокарбида вольфрама для получения наноструктурированных твердых сплавов. Для научных работников и специалистов в области физики и химии твердого тела, физического материаловедения, нанокристаллического состояния вещества, а также для аспирантов и студентов соответствующих специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 03-13-07001, не подлежит продаже.

Книга посвящена проблеме фазовых превращений в твердых телах при высоком давлении (ВД). Рассмотрены следующие вопросы: фазовые равновесия при ВД в элементах (углероде, кремнии, германии, титане, цирконии, железе, галлии, церии), в соединениях I VII II VI III V типа A B ; A B ; A B , в сплавах на основе железа; влияние деформации на фазовые превращения при ВД; кинетика и гистерезис высокотемпературных и низкотемпературных превращений при ВД; условия получения и сохранения фаз ВД. Для специалистов в области физики твердого тела, физического материаловедения, преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

В монографии изложены современные представления о моделях и критериях физики и механики повреждений и разрушения твердых тел при наличии трещин в условиях воздействия различных видов нагружения, а также принципы анализа и обоснования безопасности и живучести технических систем в сильно поврежденных состояниях. В рамках механики усталостного и контактного разрушения, динамической, экспериментальной и вычислительной механики разрушения, механики трещин при ползучести и воздействии коррозионных сред рассмотрены особенности моделей и критериев физики и механики трещин в твердых телах. Использование основных теоретических положений и критериев механики трещин проиллюстрировано практическими примерами. Для студентов старших курсов, магистров и аспирантов технических университетов, а также научных и инженерно-технических работников, интересующихся проблемами прочности и разрушения, безопасности, живучести и ресурса технических систем. Рекомендовано к печати Ученым советом Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН и Научным советом РАН по проблеме «Надежность, ресурс и безопасность технических систем»

Рассмотрены различные классы обратных задач механики деформируемого твердого тела – ретроспективные, граничные, коэффициентные, геометрические, в которых по некоторой дополнительной экспериментальной информации о решении определяются коэффициенты дифференциальных операторов, начальные условия, граничные условия, геометрия внутренних дефектов (полостей, трещин). Излагаются постановки задач, основы общих подходов в теории обратных и некорректных задач, особенности итерационных схем и методов регуляризации при решении конкретных обратных задач теории упругости, акустики, вязкоупругости, электроупругости, теплопроводности. Представлены как схемы построения операторных уравнений с компактными операторами, так и методы доказательства теорем единственности, предложены различные способы построения приближенных решений, представлены численные результаты на основе методов регуляризации. Для научных и инженерно-технических работников в области механики деформируемого твердого тела, численных методов, дефектометрии, геофизики, экспериментальной механики, для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся по направлениям «механика», «прикладная математика». Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 06-01-14041

Монография посвящена теории предельного состояния твердых деформируемых тел и горных пород. Исследованы соотношения теории предельного состояния, дано приложение теории к технологическим задачам процессов обработки материалов давлением, механики горных пород и др. Для научных работников, инженеров, аспирантов, студентов старших курсов, специализирующихся в области механики деформируемого твердого тела. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 06-08-06039

Монография представляет собой последовательное изложение нового численно-аналитического метода решения динамических задач механики деформируемого твердого тела. Представлен прямой вариант метода граничных интегральных уравнений с гранично-элементной техникой численного моделирования. Для преодоления проблемы неэффективности применения методов граничных интегральных уравнений и граничных элементов к трехмерным динамическим задачам анизотропной теории упругости и ее расширений дано описание неклассической схемы редукции краевых задач к новым граничным интегральным уравнениям. Построенные граничные интегральные уравнения являются точными, в отличие от всех других известных схем, для которых итоговые граничные интегральные уравнения являются приближенными. Схема распространена на краевые задачи динамической механики деформируемого твердого тела с сопряженными полями. Эффективность неклассического подхода продемонстрирована на решении ряда трехмерных динамических задач для изотропных тел. Для научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области теории и численных методов решения трехмерных динамических задач механики деформируемого твердого тела. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 08-01-07088д

В монографии рассматриваются основные закономерности процессов деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при различных (квазистатических и динамических) режимах термосилового нагружения и математические модели указанных процессов. Приводится экспериментально-теоретическая методика определения материальных параметров и функций данных математических моделей. Даются результаты численного моделирования процессов деформирования и накопления повреждений металлов и ряда конструкционных сталей при квазистатических и динамических термосиловых воздействиях. Особое внимание уделяется вопросам моделирования процессов упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений для сложных процессов деформирования конструкционных сталей, сопровождающихся вращением главных площадок тензоров напряжений и деформаций. Монография представляет интерес для широкого круга научных работников, инженеров, аспирантов, специалистов в области механики деформируемого твердого тела.

Изложена современная теория нормальных и сверхпроводящих металлов без использования сложных математических методов. Помимо описания классических свойств, серьезное внимание уделено актуальным проблемам: квантовым интерференционным эффектам, локализации электронов случайным потенциалом, нелинейным явлениям, взаимному влиянию сверхпроводимости и магнетизма и др. Необходимо знакомство с квантовой механикой и статистикой. Для студентов и аспирантов физических специальностей вузов, а также научно-технических работников в области физики твердого тела.

В монографии представлены результаты исследований, выполненных авторами в области механики многослойных анизотропных пластин и оболочек. Получены новые решения задач расчета напряженно-деформированного состояния и определения нагрузок начального разрушения широкого класса различных элементов тонкостенных конструкций. Проведен сравнительный анализ поведения конструкций на основе классической и ряда уточненных теорий пластин и оболочек в геометрически линейной и нелинейной постановках. Представлен оригинальный метод и новые классы аналитических решений обратных задач рационального проектирования композитных пластин и оболочек. Для широкого круга специалистов в области механики деформируемого твердого тела, динамики и прочности машин, строительной механики, судостроения, авиакосмической техники, а также преподавателей, аспирантов и студентов. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 07-01-07065

В книге в ясной и сжатой форме обобщается теоретический и экспериментальный материал в области высокотемпературной кристаллизации из расплава. Рассматриваются физико-химические процессы, сопровождающие плавление и кристаллизацию вещества, а также методы и технологии выращивания тугоплавких кристаллов. Книга адресована специалистам в области кристаллографии и смежных областях.

Излагаются современные основы макроскопической кристаллофизики. Книга написана в соответствии с концепцией об определяющей роли симметрии в изучении физических свойств кристаллов, разработанной академиком А.В.Шубниковым. Первая часть книги посвящена симметрии как специфическому методу кристаллофизики. Рассмотрена симметрия пространственных геометрических и материальных фигур, морфологическая симметрия кристаллов и текстур, симметрия математических величин. Заканчивается эта часть рассмотрением симметрии физических явлений и основных законов кристаллофизики. Во второй части с помощью метода симметрии рассмотрены электрические, оптические, магнитные, механические и пьезоэлектрические свойства кристаллов. Отдельно рассмотрена термодинамика кристаллов, позволяющая устанавливать связь между различными физическими эффектами в кристаллах. Заключение посвящено практической важности кристаллофизики. Для студентов физических специальностей университетов и инженеров, работающих с кристаллами.

Последние достижения в науке привели к созданию новых материалов с уникальными свойствами, главным образом вследствие целенаправленных изменений структуры на атомном уровне. Для описания состояния и формы материи на этом уровне требуются разнообразные математические понятия. Эта книга дает представление о геометрических идеях, которые развиваются и внедряются в науку о материалах с целью обеспечения визуализации и полного описания упорядочения атомов в трехмерном пространстве. Особое значение придается интуитивному пониманию принципов геометрии, представленных посредством многочисленных иллюстраций. Сложность математических выкладок сведена к минимуму, и для понимания требуются только начальные сведения о векторах и матрицах, что обеспечивает доступное введение в рассматриваемую область знаний. Эта книга, содержащая еще и подробный список литературы, адресована тем, кто работает в области кристаллографии, физики твердого тела или науки о материалах: исследователям, инженерам, а также аспирантам и студентам старших курсов.