История развития

Физика твердого тела как наука родилась в начале XX века в связи с развитием атомной физики. Она занимается главным образом изучением кристаллических твердых тел и по­ведением электронов в этих телах. Сто лет назад кристаллы изучались только с точки зрения их внешней формы и симмет­ричных связей между различными коэффициентами, описываю­щими физические свойства кристаллов. После открытия ди­фракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчетами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов.

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны еще несколько тысячелетий назад. Кристаллом называли вначале только лед, а затем и кварц, считавшийся окаменевшим льдом. В конце эпохи средне­вековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, об­разующихся в природных или лабораторных условиях, натолк­нула ученых еще в семнадцатом веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента, так сказать, кирпичика. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элемен­тарные кирпичики. Сейчас мы знаем, что такими элементар­ными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кри­сталлы состоят из атомных рядов, периодически повторяющих­ся в пространстве и образующих кристаллическую решетку.

В восемнадцатом веке минералогами было сделано важное открытие. Оказалось, что индексы, определяющие положение в про­странстве любой грани кристалла, по сути целые числа. Гаюи показал, что это можно объяснить расположением иден­тичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в про­странстве. В 1824 г. Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы) являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным разно­весным состоянием системы идентичных атомов.

Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твердого тела является 8 июня 1912 г. В этот день в Баварской Ака­демии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лу­чей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных на­блюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В этой работой было показано, что рентгеновские лучи яв­ляются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из пе­риодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твердого тела, какой мы знаем ее сегодня. В годы, непосред­ственно следующие за 1912 годом, в физике твердого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристалли­ческими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 г. с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI.