فيزياء الأجسام الصلبة ( Solid-state physics )

فيزياء الأجسام الصلبة وتسمى أيضًا فيزياء المادة المكثفة، وتبحث في الخواص الفيزيائية للمواد الصلبة. وتضم هذه الخواص، المغنطيسية والضيائية (الإشعاع الضوئي) والقوة الميكانيكية وتوصيل الكهرباء والحرارة. ويحاول الفيزيائيون استنتاج خواص المواد الصلبة عن طريق تنظيم حركة الذرات والإلكترونات التي تشكل المادة الصلبة.

وتكون ذرات وجزيئات معظم المواد الصلبة، منتظمة في أشكال متكررة تسمى البلورات. ★ تَصَفح: البلورة. والكتلة الأساسية في بناء البلورة، هي الوحدة الخلوية، وهي مُعَادة بتكرار. ويقوم الفيزيائيون بتسليط الإلكترونات أو الأشعة السينية أو النيوترونات إلى البلورة لمعرفة كيفية انتظام الذرات أو الجزيئات.

وقد تم معظم التقدم في مجال فيزياء الأجسام الصلبة عن طريق إعداد بلورات مفردة في غاية النقاء من مواد مختلفة ثم القيام بدراسة خواصها. ويمكن بهذه الطريقة تحديد التركيب المُفصَّل لتوزيع الإلكترونات في المادة الصلبة. وتقوم المعلومات المستمدة من هذه المواد المثالية نسبيًا بتزويد الناس بفهم أحسن للمواد العامة كما تساعدهم على إيجاد أنواع جديدة من مواد تحمل خواص أفضل.

وقد تطور مجال فيزياء الأجسام الصلبة بشكل سريع منذ حوالي 1946م، وذلك لأهمية هذا المجال للصناعة وكذلك لفائدته العلمية. ويعمل العديد من الناس في هذا المجال أكثر من أي مجال آخر من مجالات الفيزياء. وتضم إنجازات فيزياء الأجسام الصلبة، تطوير الترانزستور، والأجهزة الأخرى المصنوعة من شبه الموصلات، والتي تستخدم في الدوائر الإلكترونية. وقد قام علماء فيزياء الأجسام الصلبة أيضًا بصناعة ليزرات أشباه الموصلات، والبطاريات الشمسية ومصادر التألق الصلبة (أجهزة تحول الكهرباء إلى ضوء مباشرة)، والكشافات الحساسة، للكشف عن أنواع عدة من الطاقة الإشعاعية. وتتم الاستفادة من تِقْنية فيزياء الأجسام الصلبة في مجال صناعة الإلكترونيات، والحاسوب، والاتصالات، والفضاء.

ومعرفة نظرية الكم ضرورية في دراسة فيزياء الأجسام الصلبة. والنظرية تشكل الأسس لفهم تركيب الذرات والجزيئات والقوى التي تشدها وتلحمها إلى بعضها مكونة البلورات.

وقد قدمت نظرية الكم توضيحًا لإحدى أهم الخواص الجديرة بالملاحظة والدراسة في مجال فيزياء الأجسام الصلبة، وهي خاصية التوصيل الفائق. ففي الفلزات العادية، ولكي يبقى التيار الكهربائي ساريًا، يجب تطبيق فولتية (جهد) وكذلك استعمال قدرة. أما في الموصل الفائق فإن التيار يظل ساريا بغير تحديد وذلك دون تطبيق الفولتية ويمكن لأنواع معينة من السيراميك والكثير من الفلزات والسبائك أن تكون فائقة التوصيل عند درجة حرارة غاية في الانخفاض أعلى بدرجات قليلة عن درجة الصفر المطلق (-273,15°م).

وفيزياء الأجسام الصلبة مجال متسع للأبحاث، ويضم العديد من المسائل التي تحمل التحديات. وبعض المواضيع التي تمت دراستها تضم تداخل الضوء مع المادة، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء والتوصيل الفائق في درجة الحرارة العالية، وتحسين المواد لليزرات حالة الصلابة شبه الموصلة ومصادر الضوء. وقد طبق منهج فيزياء الأجسام الصلبة على انتقال الطاقة والشحنة الكهربائية في الأنظمة العضوية ذات الأهمية في علم الأحياء.