Dành cho học sinh về vật lý chất rắn

64

Dành cho học sinh về vật lý chất rắn

Các biên tập viên vật lý của nhà xuất bản Prosveshcheniye bắt đầu xuất bản một loạt sách với tựa đề chung là “Dành cho học sinh về vật lý hiện đại”. Việc này được thực hiện rất kịp thời, vì trường trung học cơ sở chuyển sang chương trình vật lý mới, trong đó trọng lượng của các phần vật lý hiện đại được thay thế và trình độ khoa học của toàn bộ môn học được nâng lên.

Năm 1974, cuốn sách đầu tiên trong bộ sách này được xuất bản, nói về một số vấn đề cơ bản của vật lý hiện đại. Tạp chí «Kvant» đã xuất bản lời giải cho cuốn sách này*). Cuốn sách thứ hai dành riêng cho vật lý chất rắn** vừa được xuất bản. Vật lý chất rắn ở thời đại chúng ta đã trở thành một ngành khoa học rộng lớn, có nhiều nhánh. Mỗi hướng của khoa học này đều có ý nghĩa lý thuyết to lớn và ứng dụng thực tiễn rộng rãi. Hầu như không thể chỉ ra một ngành công nghiệp mà những thành tựu của vật lý hiện đại không được áp dụng

*) D. Borodin. “Dành cho học sinh về vật lý hiện đại”, «Kvant», 1975, số 4.
**) Học sinh về vật lý hiện đại. Vật lý chất rắn. M., “Khai sáng”, 1975.

cơ thể rắn chắc. Ví dụ, máy tính hiện đại sử dụng hiện tượng siêu dẫn, đặc trưng của một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thấp. Các đặc tính của chất bán dẫn mang lại nhiều khả năng sử dụng chất bán dẫn trong công nghệ. Rất nhiều ví dụ như vậy có thể được đưa ra.

Trong khóa học ở trường, các nhà vật lý xem xét một số vấn đề trong vật lý chất rắn. Nhưng rất khó để nói về hiện trạng vật lý chất rắn theo cách mà một học sinh có thể hiểu được. Tuy nhiên, khó khăn bài toán này hầu hết đã được các tác giả của các bài viết trong sách giải quyết thành công.

Cuốn sách bao gồm sáu bài viết dành cho những vấn đề quan trọng nhất của vật lý chất rắn và một bài viết về một số đặc điểm của mối liên hệ giữa vật lý hiện đại và toán học.

Cuốn sách bắt đầu với các bài viết của A. F. Andreev, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, nhà nghiên cứu cao cấp tại Viện Các vấn đề Vật lý của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, giáo sư tại Viện Vật lý Moscow, “Tính siêu chảy của gel lỏng”. Nó nói về hiện tượng siêu chảy của gel lỏng, được phát hiện vào năm 1938 bởi nhà vật lý hàng đầu của Liên Xô, Viện sĩ P. L. Kapitsa.

Từ bài viết này, người đọc sẽ không chỉ tìm hiểu về các đặc tính tuyệt vời của gel lỏng II mà còn biết tại sao gel không thể chuyển thành chất rắn ngay cả ở nhiệt độ cực thấp và áp suất bình thường.

Những đặc tính đặc biệt mà gel lỏng thể hiện ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối không phải là hiện tượng đáng chú ý duy nhất ở vùng nhiệt độ này. Hiện tượng độc đáo thứ hai đặc trưng của một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thấp là tính siêu dẫn. Hiện tượng này có trong cuốn sách “Dành cho học sinh về Vật lý hiện đại”. Vật lý chất rắn được đặc biệt chú ý. Trong bài viết “Về tính siêu dẫn” của Tiến sĩ Vật lý và Toán học, Giáo sư V.Z. Kresny, ông nói về việc tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Leiden, nhà khoa học người Hà Lan G. Kamerlingh-Onnes đã phát hiện ra một tính chất đáng kinh ngạc của thủy ngân vào năm 1911: ở nhiệt độ gần 4°K, điện trở của kim loại này đột ngột giảm về 0. Đây là cách một trong những lĩnh vực thú vị và quan trọng nhất trong vật lý chất rắn hiện đại nảy sinh.

Hiện tượng siêu dẫn chỉ được quan sát thấy ở nhiệt độ rất thấp. Hiện tại, người ta đã có thể đạt được sự chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn của hợp kim Nb₃Ge ở nhiệt độ T=22,3°K. Đây là nhiệt độ chuyển tiếp cao nhất cho đến nay. Bài báo mô tả hiện tượng siêu dẫn, thảo luận các hướng nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao và khảo sát ảnh hưởng của từ trường đến tính siêu dẫn. Với sự quan tâm đặc biệt, người đọc sẽ làm quen với các chất siêu dẫn hiện có, cũng như mối liên hệ của chất siêu dẫn với các lĩnh vực vật lý khác (trạng thái siêu dẫn của hạt nhân nguyên tử, chất siêu dẫn và sao neutron, chất siêu dẫn và vật lý sinh học).

Bài viết của V. A. Belykov, ứng viên khoa học vật lý, nhà nghiên cứu cao cấp tại Viện Đo lường Kỹ thuật Vật lý và Vô tuyến, “Hiệu ứng Mössbauer,” có lẽ là bài khó nhất trong cuốn sách này. Bài viết nói về cách

sự phát xạ và hấp thụ tia $\gamma$ của hạt nhân nguyên tử.

Giống như electron trong nguyên tử, nucleon trong hạt nhân (proton và neutron) ở mức năng lượng cụ thể. Sự chuyển đổi của các nucleon từ cấp độ này sang cấp độ khác gây ra sự phát xạ hoặc hấp thụ tia gamma của hạt nhân. Năm 1958, nhà vật lý trẻ người Đức R. Mössbauer đã nghiên cứu sự hấp thụ cộng hưởng của tia $\gamma$. Năng lượng lượng tử của các tia này bằng độ chênh lệch mức năng lượng của các nucleon. Vì vậy, sự hấp thụ như vậy được gọi là sự cộng hưởng. Mössbauer phát hiện ra rằng nếu sự hấp thụ hoặc phát xạ của tia $\gamma$ xảy ra trong mạng tinh thể nơi hạt nhân nguyên tử liên kết chặt chẽ thì hiện tượng giật hạt nhân không xảy ra. (Nếu một người nhảy từ một con tàu xuống nước, thì con tàu không bị giật, vì khối lượng của con tàu lớn hơn nhiều so với khối lượng của người đó. Nếu một người nhảy từ thuyền, thì độ giật sẽ thấy rõ.) Hóa ra là trong các điều kiện của hiệu ứng Mössbauer, các vạch phổ phát xạ và hấp thụ của tia $\gamma$ rất hẹp. Điều này cho phép hiệu ứng Mössbauer được sử dụng để đo những khác biệt rất nhỏ về năng lượng và tần số với độ chính xác cực cao. Bài báo của V. A. Belykov nói về khả năng sử dụng hiệu ứng Mössbauer trong nhiều lĩnh vực vật lý và hóa học (quan sát các hiệu ứng trong thuyết tương đối, nghiên cứu cấu trúc của các phân tử phức tạp của chất rắn, v.v.).

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Các vấn đề Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, giáo sư tại Đại học Tổng hợp Moscow M. I. Kaganov, trong bài báo “Tính chất từ ​​của vật chất”, đã nói một cách thú vị về quan điểm hiện đại về tính chất từ ​​của chất rắn. Bắt đầu bằng việc xem xét tính chất từ ​​của các hạt mang từ tính cơ bản—điện khí hóa

ron, proton và neutron, tác giả chuyển dần sang các tính chất từ ​​của nguyên tử, phân tử và tinh thể. Bài viết trình bày bản chất của thuyết thuận từ và tương tác trao đổi. Khi nghiên cứu tính chất từ ​​của vật chất, khó khăn lớn nhất của học sinh là tìm hiểu tính chất và bản chất vật lý của sắt từ. Trong bài viết của Giáo sư M.I. Kaganov, họ sẽ không chỉ tìm ra lời giải thích hiện đại và dễ tiếp cận cho những vấn đề này mà còn làm quen với hiện tượng phản sắt từ, hoạt động của các chất có tính chất từ ​​gần nhiệt độ 0 tuyệt đối và nhiều vấn đề thú vị khác.

Bài viết của ứng viên khoa học vật lý và toán học, phó giáo sư Viện sư phạm Moscow. V. I. Lênin Yu. A. Gurvich chuyên về chất bán dẫn. Trong môn vật lý ở trường, việc nghiên cứu tính chất điện của chất bán dẫn được đặt ở vị trí nổi bật. Vì vậy, nội dung của bài viết này ở một mức độ lớn hơn nội dung của các bài viết khác sẽ có vẻ quen thuộc với độc giả. Tuy nhiên, bài viết “Chất bán dẫn” đã mở rộng đáng kể lượng thông tin mà học sinh nhận được trong môn vật lý bắt buộc. Tất cả các tính chất của chất bán dẫn nội tại và tạp chất được xem xét trên cơ sở lý thuyết dải của chất rắn, phân tích bản chất của sự sắp xếp và lấp đầy các mức năng lượng trong tinh thể bằng các electron. Cách tiếp cận này cho phép tác giả xem xét tất cả các tính chất cơ bản của chất bán dẫn điện tử và lỗ trống cũng như nói về những ứng dụng quan trọng nhất của chúng.

Bài viết vật lý thứ sáu của cuốn sách, được viết bởi A. A. Samokhin, ứng cử viên khoa học vật lý và toán học, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô,

Nó được gọi là “Laser”. Những máy phát ánh sáng lượng tử quang học này được tạo ra vào năm 1954-1955 bởi các nhà khoa học Liên Xô là học giả N. G. Basov và A. M. Prokhorov tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô ở Moscow và nhà khoa học người Mỹ Charles Townes tại Đại học Columbia ở New York. Bài viết của A. A. Samokhin mở rộng và đào sâu đáng kể những thông tin được trình bày trong sách giáo khoa của trường. Nó nói về các nguyên lý vật lý của hoạt động laser, các loại chính, phương thức hoạt động của chúng, cũng như nhiều khả năng ngày càng mở rộng của việc sử dụng laser trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

Bài cuối cùng, thứ bảy có tên là “Vật lý và Toán học”. Nó được viết bởi một ứng cử viên khoa học vật lý và toán học, nhà nghiên cứu cao cấp tại Viện Năng lượng nguyên tử. I. V. Kurchatova V. P. Smilgoy. Về mặt chủ đề, bài viết này không liên quan đến vật lý chất rắn. Tuy nhiên, nó liên quan trực tiếp đến toàn bộ bộ sách “Dành cho học sinh về Vật lý hiện đại”. Bài viết nói về mối liên hệ giữa toán học và vật lý hiện đại trong thời đại chúng ta như thế nào, vai trò của toán học đối với những thành tựu của vật lý, tầm quan trọng của vẻ đẹp toán học trong các lý thuyết vật lý, v.v. Bài viết được viết một cách thuần thục, sử dụng các ví dụ từ tám câu chuyện cụ thể trong một khoảng thời gian dài.

Hãy tóm tắt. Với khả năng sư phạm tuyệt vời, ở mức độ dễ tiếp cận và đồng thời nghiêm túc, học sinh được kể về những vấn đề phức tạp nhất của vật lý hiện đại. Người ta chỉ có thể mong muốn rằng những cuốn sách tiếp theo trong bộ sách này sẽ mang lại lợi ích cho học sinh tương tự như những cuốn đã được xuất bản.

B. M. Yavorsky

65