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sòlido

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Lessico

agg. e sm. [sec. XIV; dal latino solídus].

1) Agg., proprio dello stato di aggregazione della materia nel quale gli atomi o le molecole sono distribuiti in maniera ordinata e tali da occupare nello spazio posizioni che si ripetono regolarmente formando il reticolo cristallino.

2) In geometria, figura solida, corpo solido, figura o corpo giacente nello spazio, cioè a tre dimensioni; geometria solida, quella che studia le figure solide.

3) Per estensione, stabile, fermo, saldo, resistente: muro, pilastro solido; una costruzione solida; tinta solida, che resiste senza sbiadire al sole, al tempo, ai lavaggi. In partic., forte, robusto: un paio di braccia, di gambe ben solide. Fig., che poggia su basi sicure, che è ben fondato: economia, industria, teoria che poggia su solide basi; serio, sicuro, concreto: argomentazioni poco solide; una preparazione solida; testa solida, che ragiona con chiarezza e ponderatezza. Anche che dà affidamento, che presenta una buona stabilità, specialmente dal punto di vista economico: una ditta, una banca solida.

4) In diritto, in solido, di obbligazione caratterizzata da vincoli di solidarietà: debitore in solido; vi considero responsabili in solido, tutti allo stesso modo.

5) Sm., corpo solido: i solidi e i fluidi. In geometria, ogni figura a tre dimensioni limitata da superfici piane o curve: il cubo è un solido;solido rotondo (o di rotazione), figura dello spazio generata dalla rotazione di un'area piana attorno a una retta.

Fisica: generalità

Comunemente lo stato solido viene definito anche come quello in cui i corpi presentano forma e volume propri. Molte sostanze, come i metalli, oltre ad avere una forma e un volume proprio, presentano anche una disposizione ordinata degli atomi (solidi cristallini); altre invece, come i vetri, hanno una distribuzione casuale degli atomi nello spazio e perciò sono detti solidi amorfi. Dal punto di vista strutturale questi ultimi sono molto simili ai liquidi e possono essere considerati liquidi con elevato indice di viscosità o di attrito interno. Un'importante caratteristica dei solidi è la rigidità e la conseguente reattività alle sollecitazioni esterne, come trazione, compressione, flessione ecc., le quali inducono deformazioni che comportano variazioni di forma e di volume non sempre trascurabili .

Fisica: la fisica dello stato solido

Un ruolo di particolare importanza nello sviluppo della tecnologia moderna è svolto dallafisica dello stato solido, che studia le proprietà dei solidi in relazione alla loro struttura intima sia dal punto di vista cristallografico (tipo di cella elementare, parametri reticolari, posizione nella cella degli atomi di specie diverse), sia per quanto concerne le forze che legano fra loro gli atomi nel reticolo cristallino. La fisica dello stato solido e la fisica dei liquidi e della materia morbida (o molle) costituiscono la fisica della materia condensata. Essa cerca di correlare ai tipi di legami e alle loro intensità le specifiche proprietà dei solidi, come quelle di resistenza alle sollecitazioni meccaniche, di deformabilità, di conducibilità elettrica e termica, e altre. La fisica dei solidi, pur avendo avuto origine nei secoli precedenti, ha avuto una sua caratteristica linea di sviluppo dalla fine del sec. XIX, con la scoperta dei raggi X (W.K. Röntgen, 1895) e con la dimostrazione, a opera di M. von Laue (1912), che essi erano onde elettromagnetiche di piccola lunghezza d'onda e che potevano essere diffratti dagli atomi di un cristallo. Tali esperimenti dimostrarono che i solidi cristallini sono composti da un reticolo atomico e i raggi X divennero uno strumento insostituibile per lo studio della disposizione geometrica degli atomi nel solido. M. Born, in seguito, sviluppò una teoria classica dell'energia di legame di alcuni tipi di cristalli e una teoria sulle vibrazioni reticolari, predicendo modi propri di vibrazione dei cristalli, unificando la teoria classica dell'elasticità statica e delle onde sonore di grande lunghezza d'onda. Sempre all'inizio del sec. XX fu introdotto il concetto di elettrone libero nei metalli: tale modello permise di spiegare la resistenza elettrica come dovuta a diffusione di questi elettroni in seguito a urti sui nuclei atomici del reticolo. I tentativi di spiegazione teorica di diversi fenomeni sperimentali (l'effetto fotoelettrico (A. Einstein, 1905), la superconduttività (K. Onnes, 1911), il comportamento anomalo della capacità termica dei solidi rispetto al valore classico previsto dalla legge di Dulong e Petit (Einstein, 1907 e P.J.W. Debye, 1912) richiesero anche nella fisica dei solidi l'introduzione dei concetti alla base della teoria quantistica, quali il fotone, o quanto di radiazione luminosa, introdotto da Einstein per spiegare l'effetto fotoelettrico, e il fonone, o quanto di eccitazione dei modi di vibrazione normali, introdotto da Debye quantizzando il modello di Born per i modi reticolari. Lo sviluppo moderno della fisica dei solidi avvenne dopo il 1928 con l'applicazione delle leggi della meccanica quantistica (equazione di Schrödinger) e statistica, cioè quando, con la determinazione di basi teoriche definitive, si iniziò un processo di unificazione concettuale delle proprietà meccaniche, elettriche, magnetiche, dielettriche, ottiche, termiche dei solidi. I confini della fisica dei solidi con altre branche della scienza, come la metallurgia, l'elettronica, la chimica ecc., che si occupano di materiali solidi non sono definibili con precisione. La necessità di trovare soluzione a problemi di tipo tecnologico ha sempre rappresentato una grossa motivazione di tipo pratico per sviluppare ricerche nel campo della fisica dei solidi. Lo studio della diffrazione dei raggi X attraverso i solidi ha messo in evidenza che la maggior parte di essi presenta struttura cristallina; sono cioè costituiti da atomi ordinati nello spazio secondo un reticolo. I reticoli cristallini possono presentare simmetrie svariate: cubica, tetragonale ecc. Allo stato cristallino si contrappongono, in percentuale non rilevante, diversi stati amorfi, nei quali la materia non presenta le intime regolarità di struttura proprie della struttura cristallina. L'esistenza di una simmetria spaziale degli atomi è fondamentale per una trattazione teorica rigorosa dello stato solido, da cui si deducono schemi che permettono l'interpretazione di proprietà fondamentali (come la teoria delle bande per la distinzione tra conduttori e isolanti). Nei cristalli a volte esistono imperfezioni o irregolarità nel reticolo, le quali hanno grande importanza perché a esse sono legate particolari proprietà, come quelle dei semiconduttori, e caratteristici fenomeni ottici (luminescenza, effetto laser), plastici, di accrescimento dei cristalli, di diffusione ecc. Lo studio dei cristalli ideali, cioè quelli immaginati senza imperfezioni, si occupa delle vibrazioni reticolari, del moto degli elettroni, delle interazioni con la radiazione, del ferromagnetismo, della superconduttività e definisce le cosiddette proprietà intrinseche del solido dipendenti esclusivamente dalla sua natura chimica e dalla sua struttura cristallina ideale. Le scoperte e gli studi sui semiconduttori, che hanno rivoluzionato l'elettronica, consentendo la miniaturizzazione dei circuiti, rappresentano uno dei capitoli più noti della fisica dei solidi, ma l'approfondimento e l'estensione della materia sono progressivamente divenuti tali da influenzare e da essere influenzati da sempre più numerosi campi di ricerca (fisica nucleare, energia nucleare, scienze spaziali, elettronica ecc.) che richiedono particolari sviluppi della tecnologia dei materiali. Un campo di ricerca di grande interesse è quello della fisica delle superfici e delle interfacce dei solidi. I notevoli progressi ottenuti sono principalmente dovuti al raffinamento delle tecniche da vuoto, che hanno permesso di ottenere superfici sempre più pure, e a diverse tecniche di deposizione e manipolazione di atomi e molecole, tecniche di fasci di particelle e di incisione chimica. Con l'utilizzo del microscopio a effetto tunnel, negli anni Ottanta del Novecento, si è riusciti a controllare le superfici con un'accuratezza di 0,1Å (l'unità di misura angstrom, ancora usata in cristallografia, è definita come 1Å=10-8cm), e anche a posizionare, letteralmente, un atomo alla volta nelle posizioni desiderate sulla superficie. Lo studio dell'interazione tra atomi o molecole e superfici (collisioni, adsorbimento, desorbimento insieme con diverse reazioni fisiche e chimiche) costituisce argomento di ricerca in tale campo.

Fisica: determinazione del comportamento dinamico degli elettroni liberi nel reticolo cristallino

Quantisticamente il comportamento dinamico degli elettroni liberi nel reticolo cristallino viene determinato da una funzione d'onda che soddisfa l'equazione di Schrödinger che, date le caratteristiche del potenziale creato dagli atomi del reticolo, è assai complessa (W. Pauli, 1927; A. Sommerfeld, 1928; F. Bloch, 1928). In generale, pertanto, si introducono modelli semplificati del potenziale. Se si considera un reticolo cristallino unidimensionale, la soluzione dell'equazione di Schrödinger mostra che gli elettroni possono avere solo energie di valore compreso entro intervalli ben definiti, chiamati bande permesse, separati da bande di energia proibite, dette appunto bande proibite. In una rappresentazione in cui si esprima l'energia degli elettroni in funzione del numero d'onda, cioè dell'inverso della lunghezza d'onda associata all'elettrone, queste bande sono dette zone di Brillouin. Risultati analoghi si ottengono per un reticolo cristallino tridimensionale se si considera il numero d'onda come una grandezza vettoriale. All'interno di ciascuna banda gli elettroni possono assumere solo un certo numero di valori discreti dell'energia, ciascuno dei quali costituisce un livello energetico. Data una banda con N livelli, questa, per il principio di esclusione di Pauli, può contenere 2N elettroni. Nelle bande complete, cioè contenenti 2N elettroni, la velocità media di questi ultimi è nulla e questi non contribuiscono pertanto alla corrente che circola nel corpo; nelle bande occupate solo parzialmente l'assenza di un elettrone equivale alla presenza di una carica identica, ma di segno opposto, cioè positiva, chiamata buco. La distribuzione degli elettroni in una banda è regolata dalla statistica di Fermi-Dirac e in essa è fondamentale il livello di Fermi, che corrisponde al massimo valore dell'energia che può venire raggiunta dagli elettroni alla temperatura di 0 K.

Fisica: distribuzione degli elettroni in una banda secondo la statistica di Fermi-Dirac

Quando al livello di Fermi corrisponde una banda permessa, questa banda è solo parzialmente occupata e pertanto, applicando una differenza di potenziale, si produce una corrente elettrica e il solido è un conduttore. Negli isolanti, invece, il livello di Fermi è una banda proibita. A 0 K le bande permesse al di sotto di questo livello sono completamente occupate e le superiori sono completamente vuote; pertanto, in nessun caso, si ha corrente elettrica. A temperature diverse da 0 K, a causa dell'agitazione termica, alcuni elettroni possono saltare in una banda permessa, ma l'energia richiesta è elevata e la probabilità che un tale salto si produca è bassa; pertanto, in ogni caso, la corrispondente corrente elettrica è molto debole. Quando la banda proibita che contiene il livello di Fermi è molto stretta questa probabilità è maggiore e può apprezzarsi la corrente corrispondente. I tipi di solidi che rientrano in questo schema sono detti semconduttori intrinseci.

Fisica: relazione tra calore specifico dei solidi e temperatura

La relazione tra calore specifico dei solidi e temperatura, così come la legge di Dulong e Petit, sono state interpretate da Einstein (1907) in base all'ipotesi quantistica. In base a essa, un corpo solido viene considerato come un insieme di oscillatori lineari che può scambiare energia con l'esterno solo quando l'energia è in quantità uguale a multipli interi del quanto hf, dove h è la costante di Planck e f la frequenza propria dell'oscillatore. La relazione tra calore specifico cv a volume costante e temperatura, trovata da Einstein, fu successivamente corretta da Debye per tener conto del fatto che un cristallo non ha un'unica frequenza propria di risonanza, ma uno spettro di risonanza piuttosto esteso, poi da Sommerfeld per tenere conto del moto degli elettroni liberi. La relazione proposta da Sommerfeld è la seguente:

dove TD è una costante caratteristica di ogni sostanza chiamata temperatura di Debye, γ è un'altra costante detta costante elettronica e T la temperatura assoluta.