Teorie zón pevných látek. Kvantová mechanika pro figuríny

Tento článek popisuje, co je teorie kapel pevných látek. Ukazuje se, co přesně je takové zastoupení struktura hmoty. Rozdíly mezi kovy z dielektrik a polovodičů jsou uvedeny.

Zásuvka a tlačítko

Kolikrát denně klikneme na různé tlačítka? Nikdo si na to ani nevzpomene, že to nemůže vzít - takovou známou je tato akce. A člověk si nemyslí, že to všechno je možné jen kvůli tomu, jak snadno proudí elektrický proud v kovu. Rozsvítit světlo, rychlovarná konvice, spustit pračku, nemluvě o akce na chytré telefony, znamená dokončit okruh a umožňuje elektrony ve vodiči pracovat namísto lidí. Existuje mnoho vysvětlení pro takový jev jako vodivost. Možná je nejvíce viditelná kapelová teorie pevných látek.

Atom a čajovny

Každý, kdo studoval ve škole, má představu strukturu atomu. Připomeňme si, že kolem kladně nabitého těžkého jádra (sestávajícího z protonů a neutronů) se otáčejí malé elektrony. Počet negativní částice přesně se rovná počtu pozitivních. Abychom nerozuměli čtenářům, vysvětlíme ve stylu "kvantové mechaniky pro figuríny". Každý elektron má přísně omezenou oběžnou dráhu, podél kterého se může otáčet kolem jádra v daném chemickém prvku. Na druhou stranu každý typ atomů má jedinečný vzorec takových oběžných drah. Takhle vědci - spektroskopové rozlišují bór od selenu a arsenu od sodíku. Kromě čistých látek však v přírodě existuje nevypočitatelné množství různých kombinací. Kvantová mechanika (pro kotle, jak si čtenář pamatuje) tvrdí, že v složitých směsicích se orbity protínají, slučují, transformují, protahují a vytvářejí spojení. Jejich kvalita závisí na typu: kovalentní a iontově silnější, například vodík, slabší.

Krystalová struktura

V pevném těle jsou věci složitější. Pro model, který používá kapesní teorii pevných látek, se obvykle používá ideální krystal. To znamená, že je nekonečný a bezhřešný - každý atom v prostoru, který je přidělen, je celkový náboj nulový. Jádra kolísají kolem určité rovnovážné polohy, ale elektrony, jak by se dalo říci, jsou běžné. V závislosti na tom, jak "jen" jeden atom dává své negativní částice sousedícímu, je získána pevně definovaná struktura dielektrik nebo elektronový oblak kovů. Stojí za to dodat, že při zvážení předpokladu, že všechny elektrony zaujímají minimální přidělenou energii, předpokládá se, že tělo je na nulovém kelvinu. Při vyšší teplotě amplituda kmitání jak jádra, tak elektrony jsou silnější, což znamená, že jsou schopny obsadit vyšší energetických úrovní. Distribuce negativních částic se stává více "uvolněnými". V některých problémech je to důležité, ale popsat tento jev jako takový, teplota není tak důležitá.

Princip Pauliho a nakladače

Koncept kapelové teorie pevného těla lze nalézt pouze tím, že dobře pamatujeme, jaký je Pauliův princip. Pokud si představujeme, že elektrony jsou pytle s cukrem, pak je-li mnoho těchto pytlů, podmínečný nakladač je uloží na sebe. Každá "taška" zaujímá své místo ve vesmíru. Pro elektrony to znamená, že v tomto konkrétním stavu může existovat pouze jeden systém v jednom systému. To je Pauliův princip. Všimněte si, že myslíme ideální podmínky, tj. Teplota je nula Kelvina a krystal je nekonečný. Celý systém je ve stejných podmínkách: teplota, mechanické namáhání, závada je stejná ve všech částech celého.

Elektronické krystalové zóny

V krystalu existuje mnoho atomů stejného typu. Jeden mol látky obsahuje deset ve dvacáté třetí síle prvků. A kolik krtků v kilogramu, řekněme, sůl? Dokonce můžete říci, že i ten nejmenší krystal obsahuje nepředstavitelně mnoho atomů. Každý chemický prvek má svůj vlastní vzorec elektronických oběžných drah, ale co když existuje několik v jednom těle? Koneckonců podle zásady Pauli musí všichni obsadit různé státy. Kapela teorie pevných látek nabízí následující řešení: elektronové dráhy získávají různé energie. Rozdíl mezi nimi je tak malý, že jsou stlačeny, těsně se překrývají a vytvářejí spojitou zónu. Takže každá úroveň elektronu v jednom atomu se stává zónou v objemovém krystalu. Prvky kapelové teorie pevných látek pomohou vysvětlit rozdíl mezi dielektriky a dirigenty.

Elektron uvnitř zóny

Diskutovali jsme již o tom, co se stane s množinou elektronů, které na atomu obíhají stejnou oběžnou dráhu, když se vytvoří krystal. Ale jejich chování v zóně zatím zůstává neosvětlené. Toto je důležité, protože určuje rozdíl mezi kovy a nekovy. Jak bylo uvedeno výše, teorie těles pevných látek naznačuje, že v rámci zóny se úrovně energie různých oběžných drah jednotlivých atomů liší tak málo, že tvoří téměř kontinuální spektrum. Takže překonání potenciální bariéry mezi nimi pro elektron není obtížné - pohybuje se nad nimi volně, dokonce i tepelná energie stačí na to. Avšak každá povolená zóna má limity. Vždy je úroveň energie, která je vyšší nebo nižší než všechny ostatní.

Valent, zakázaná vodivost

Mezi těmito zónami je energetická oblast, ve které neexistuje jedna úroveň, na které by mohl být umístěn elektron. Na grafech se to objevuje jako bílá mezera. A nazývá se to zakázaná zóna. Elektron může překonat tuto bariéru jen trhnutím. Takže musí pro to dostat správnou energii. Zóna s největší energií, v níž je pro daný typ atomů povolena existence elektronů, se nazývá valencí a další za ní je vodivost.

Kov, dielektrikum

Kapela teorie vodivosti pevných látek prohlašuje, že přítomnost nebo nepřítomnost elektronů ve vodivém pásu ukazuje, jak snadné proudění proudí v dané látce. Proto jsou kovy a dielektrika odlišné. V prvním případě vodivé pásmo již obsahuje elektrony, protože se překrývá s valenčním pásmem. To znamená, že záporné částice se mohou volně pohybovat pod vlivem elektromagnetického pole bez dodatečných výdajů energie. Proto elektrický proud v kovu vzniká tak snadno, ve skutečnosti - okamžitě, jakmile se pole objeví. Ze stejného důvodu jsou dráty vyrobeny z oceli, mědi, hliníku.

Materiály, ve kterých jsou vodivé pásmo a valenční pás vzájemně energeticky odděleny, se nazývají dielektrika. Jejich elektrony jsou uzamčeny v dolní povolené úrovni. Zakázaná zóna odděluje negativní částice od úrovně, ve které se mohou volně pohybovat. A energie, která musí být přenášena elektronům, aby je překonala, zničí materiál. Nebo bude měnit své vlastnosti bez uznání. Plastové drátěné obaly se taví a spálí, ale nevedou elektřinu.

Polovodiče

Existuje však střední třída materiálů, které mají zakázanou zónu, ale v některých podmínkách jsou schopny provádět elektrický proud. Jsou nazývány polovodiče. Stejně jako dielektrika mají energetickou mezeru mezi vodivými a valenčními pásy. Nicméně je to méně a my s některými snahami překonáme. Klasickým polovodičem je křemík (v latině - křemík). Slavný silikonové údolí je proslulý technologiemi založenými na použití krystalů této látky pro tvorbu elektronických zařízení.