Γιατί η κλασική θεωρία των στερεών δεν μπορεί να εξηγήσει τα στερεά;
1. Ειδική θερμική χωρητικότητα:
* Κλασική πρόβλεψη: Η κλασσική θεωρία προβλέπει ότι η ειδική θερμική ικανότητα των στερεών πρέπει να είναι σταθερή και ίση με το 3R (όπου το R είναι η ιδανική σταθερά αερίου), ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία.
* Πραγματικότητα: Τα πειράματα δείχνουν ότι η ειδική θερμική ικανότητα των στερεών μειώνεται σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες και προσεγγίζει το μηδέν κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό είναι γνωστό ως ο νόμος dulong-petit .
2. Θερμική αγωγιμότητα:
* Κλασική πρόβλεψη: Η κλασική θεωρία προβλέπει ότι η θερμική αγωγιμότητα πρέπει να είναι σταθερή και ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία.
* Πραγματικότητα: Η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται στην πραγματικότητα με τη θερμοκρασία, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.
3. Ηλεκτρική αγωγιμότητα:
* Κλασική πρόβλεψη: Η κλασική θεωρία προβλέπει ότι όλα τα στερεά θα πρέπει να είναι καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας, επειδή τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται μέσα στο στερεό.
* Πραγματικότητα: Πολλά στερεά είναι μονωτήρες ή ημιαγωγοί, παρουσιάζοντας δραστικά διαφορετικές συμπεριφορές ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
4. Μαγνητικές ιδιότητες:
* Κλασική πρόβλεψη: Η κλασική θεωρία δεν εξηγεί τις διάφορες μαγνητικές ιδιότητες των στερεών, όπως ο σιδηρομαγνητισμός, ο παραμαγνητισμός και ο διαμαγνητισμός.
* Πραγματικότητα: Αυτές οι ιδιότητες προκύπτουν από την κβαντική μηχανική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.
5. Δονήσεις πλέγματος:
* Κλασική πρόβλεψη: Η κλασική θεωρία προβλέπει ότι τα άτομα σε μια στερεά δονείται σε όλες τις συχνότητες, οδηγώντας σε συνεχή κατανομή δονητικών ενεργειών.
* Πραγματικότητα: Η κβαντική μηχανική προβλέπει ότι οι κραδασμοί πλέγματος κβαντοποιούνται, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Αυτό δημιουργεί φαινόμενα όπως το μοντέλο Debye και η ύπαρξη φωνών (κβαντισμένες δονήσεις πλέγματος).
Η ανάγκη για κβαντική μηχανική:
Για να εξηγήσουμε τις ιδιότητες των στερεών, πρέπει να καλέσουμε τις αρχές της κβαντικής μηχανικής:
* Κοσμή της ενέργειας: Τα ηλεκτρόνια στα στερεά καταλαμβάνουν διακριτά επίπεδα ενέργειας, γεγονός που εξηγεί τη συμπεριφορά της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και του μαγνητισμού.
* Διπλότητα κύματος-σωματιδίου: Η κύμα που μοιάζει με τα ηλεκτρόνια οδηγεί σε φαινόμενα όπως ο σχηματισμός ενεργειακών ζωνών και η ύπαρξη κενών ζώνης, κρίσιμης σημασίας για την κατανόηση των ημιαγωγών.
* Κοσβατικά δονήσεις πλέγματος: Αυτό οδηγεί στη σωστή περιγραφή της συγκεκριμένης θερμικής ικανότητας σε διάφορες θερμοκρασίες.
Συνοπτικά, η κλασική θεωρία των στερεών αποτυγχάνει επειδή δεν αντιπροσωπεύει την κβαντική φύση της ύλης. Η κβαντική μηχανική είναι απαραίτητη για την κατανόηση των διαφορετικών και σύνθετων ιδιοτήτων των στερεών.
