معلومات عن فيزياء الجوامد

تعريف فيزياء الجوامد

فيزياء الجوامد (بالإنجليزية: Solid-state physics)‏ هو أكبر فرع من فيزياء المادة المكثفة ، والذي يهتم بدراسة الخواص الفيزيائية للمواد الصلبة، وخاصة الخواص الكهرومغناطيسية، والحرارية، والهيكلية للمواد الصلبة البلورية، عبر أساليب، مثل:  ميكانيكا الكم، وعلم البلورات، و الكهرومغناطيسية، وعلم السبائك، وتُ فسّر فيزياء الجوامد بأنّ الخواص الواسعة للمواد الصلبة هي نتاج خصائص تركيبها الذري، و بذلك تُشكّل فيزياء الجو امد الأساس النظري لعلم المواد، كما تُوجد لها تطبيقات مباشرة، مثل استخدامها في تكنولوجيا الترنزستورات وأشباه الموصلات.

الهدف من فيزياء الجوامد

تتمثّل الوظيفة الأساسية لفيزياء الحالة الصلبة في دراسة كيفيّة تأثير الخصائص الذريّة للمادة الصلبة على خصائصها الإجماليّة؛ إذ تتكوّن كل مادة صلبة من ذرات بكثافة عالية وتكون مترابطة وقريبة جدًا، والتفاعل بينها هو الذي يُحدد خصائص المادة؛ إذ تعتمد الخصائص الميكانيكيّة والكهربائيّة والمغناطيسيّة والبصريّة والحراريّة للعنصر على تفاعل الذرات المكونة له، ويعتمد ترتيب ذرات المادة أو أيوناتها وفق نمط منتظم متكرر أو غير منتظم على المواد المشاركة والظروف التي تشكّلت فيها.

تاريخ فيزياء الجوامد

لم يظهر حقل منفصل باسم الفيزياء إلّا في الأربعينيات بالتزامن مع إنشاء قسم فيزياء الحالة الصلبة داخل الجمعيّة الفيزيائيّة الأمريكيّة، كما ظهرت مجتمعات كبيرة من علماء فيزياء الحالة الصلبة في أوروبا بعد الحرب العالمية الثانية، ولا سيما في ألمانيا وإنجلترا والاتحاد السوفيتي،  وقد أصبحت الحالة الصلبة مجالًا بارزًا في الولايات المتحدة وأوروبا من خلال تحقيقاتها في أشباه الموصلات والموصلية الفائقة والرنين المغناطيسي النووي وظواهر أخرى متنوعة، و لم يقتصر البحث في فيزياء الحالة الصلبة على المواد الصلبة فقط، ممّا قاد بعض الفيزيائيين في السبعينيات والثمانينيات إلى تأسيس قطاع فيزياء المادة المكثفة و التي تناولت التقنيات الشائعة لفحص كلًّا من المواد الصلبة والسوائل والبلازما والمواد المعقدة الأخرى.

تطبيقات فيزياء الجوامد

تعلم الناس كيفية استخدام المواد الصلبة لقرون عديدة عن طريق التجربة والخطأ، ومن خلالها توصلّوا لتقنيات صناعة المعادن والفخار البدائيةّ للإنسان، واكتشفوا أيضًا أنّ تسخين أنواع معينة من خامات الأرض المعدنيّة يتسبب في فصل المعادن الموجودة فيها، كما أنّهم توصلوا لنتيجة مفاداها أنّ خلط المعادن فد يُنتج خصائص مرغوبة تختلف عن خصائص كل معدن على حِدى، لكن الوضع الآن مختلف تماما فغالبًا ما تستطيع أجهزة فيزياء الجوامد الجديدة تحديد فيما إذا كانت المادة الناتجة تملك الخصائص مرغوب، ومن تطبيقاتها ما يلي:

• استخدم العلماء نظرية فيزياء الجوامد للتحكّم في الخصائص المغناطيسيّة الناتجة لمواد الفريت، ونظرًا لأنّها ليست موصلة للكهرباء فقد استُخدمت في أنابيب التلفاز، لكن مع فيزياء الجوامد وتطبيق مجال مغناطيسي خارجي أصبحت تستخدم كذاكرة لأجهزة الحاسوب.
• تطوّرت العديد من تطبيقات فيزياء الجوامد من نظريات العيوب في المواد الصلبة؛ فالسبائك وهي خليط من المعادن تُعدّ أقوى من أي من مكوناتها المعدنيّة.
• عمل الترانزستورات والخلايا الشمسية التي تعتمد على إضافة ذرات الشوائب إلى أشباه الموصلات؛ فعندما إضافة ذرة شوائب إلكترونات إضافيّة تتشكّل منطقة سالبة شبه موصلة، وعندما توفير أماكن يُمكن أن تستقر فيها الإلكترونات، تتشكّل منطقة موجبة شبه موصلة، ليتشكّل بذلك سلسلة من 3 مناطق متناوبة سالبة وموجبة يُمكنها توصيل تيار كهربائي بسهولة.