Teori zon pepejal. Mekanik kuantum untuk patung-patung

Artikel ini menerangkan teori band pepejal. Ia ditunjukkan, apa sebenarnya perwakilan struktur perkara ini. Perbezaan antara logam daripada dielektrik dan semikonduktor dibentangkan.

Soket dan butang

Berapa kali sehari kita mengklik pada pelbagai butang? Tidak ada yang mengingati perkara ini - begitu akrab adalah tindakan ini. Dan orang itu tidak berfikir bahawa semua ini hanya mungkin kerana betapa mudah aliran arus elektrik dalam logam. Hidupkan cahaya, mendidih cerek, jalankan mesin basuh, tidak kira tindakan pada telefon pintar, bermakna menutup litar dan membenarkan elektron di konduktor bekerja bukannya orang. Terdapat banyak penjelasan untuk fenomena seperti konduktiviti. Mungkin yang paling jelas ialah teori band pepejal.

Atom dan teko

Setiap orang yang belajar di sekolah mempunyai idea tentang struktur atom. Marilah kita ingat bahawa di sekeliling nukleus berat bermuatan positif (terdiri daripada proton dan neutron) elektron kecil cahaya berputar. Bilangan zarah negatif adalah sama dengan bilangan zarah positif. Agar tidak menanggung pembaca, kami akan menerangkan dalam gaya "mekanik kuantum untuk patung-patung". Setiap elektron mempunyai orbit ketat terhad di mana ia boleh berputar di sekeliling nukleus dalam unsur kimia tertentu. Sebaliknya, setiap jenis atom mempunyai corak orbit yang unik. Ini adalah bagaimana saintis-spektroskopis membezakan boron dari selenium dan arsenik daripada natrium. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada bahan-bahan tulen, terdapat banyak kombinasi pelbagai jenis. Mekanik kuantum (untuk patung-patung, seperti yang perlu dibaca oleh pembaca) menegaskan bahawa dalam sebatian kompleks orbit merentasi, menggabungkan, mengubah, meregangkan, mewujudkan hubungan. Kualiti mereka bergantung kepada jenis: kovalen dan ionik yang lebih kuat, hidrogen, sebagai contoh, lebih lemah.

Struktur kristal

Dalam tubuh yang kukuh, perkara lebih rumit. Untuk model yang menggunakan teori band pepejal, kristal ideal biasanya diambil. Ini bermakna ia adalah tak terhingga dan tidak berdosa - setiap atom dalam ruang yang diperuntukkan kepadanya, jumlah muatannya adalah sifar. Nukleus berubah-ubah di sekitar kedudukan keseimbangan tertentu, tetapi elektron, yang mungkin dikatakan, adalah umum. Bergantung kepada bagaimana "hanya" satu atom memberikan zarah-zarah negatifnya kepada jiran-jirannya, struktur dielektrik yang ketat tegar atau awan elektronik logam diperolehi. Perlu diingat bahawa apabila mempertimbangkan andaikan bahawa semua elektron menduduki tenaga minimum yang diperuntukkan kepada mereka, itu bermakna bahawa badan itu adalah pada sifar Kelvin. Pada suhu yang lebih tinggi, amplitud ayunan kedua - dua nukleus dan elektron adalah lebih kuat, yang bermaksud bahawa kedua mampu memenuhi tahap tenaga yang lebih tinggi. Pengagihan zarah-zarah negatif menjadi lebih "gembira". Dalam beberapa masalah ini penting, tetapi untuk menggambarkan fenomena ini, suhu tidak begitu penting.

Prinsip Pauli dan loader

Konsep teori band dari tubuh padat hanya dapat dijumpai dengan mengingati dengan baik apa prinsip Pauli itu. Jika kita bayangkan bahawa elektron adalah karung gula, maka, jika terdapat banyak karung ini, loader kondisional akan mengenakannya satu sama lain. Setiap "beg" mengambil tempat di angkasa. Untuk elektron, ini bermakna bahawa dalam keadaan ini terdapat hanya satu dalam satu sistem. Inilah prinsip Pauli. Perhatikan bahawa kita bermaksud keadaan ideal, iaitu, suhu adalah sifar Kelvin, dan kristal tidak terhingga. Seluruh sistem berada dalam keadaan yang sama: suhu, tekanan mekanikal, kecacatan adalah sama di semua bahagian keseluruhan.

Zon kristal elektronik

Dalam kristal, terdapat banyak atom jenis yang sama. Satu mol bahan mengandung sepuluh dalam kuasa dua puluh ketiga unsur-unsur. Dan berapa tahi lalat dalam kilogram, katakan, garam? Oleh itu, anda juga boleh mengatakan bahawa walaupun kristal terkecil mengandungi bilangan atom yang tidak boleh dijelaskan. Setiap elemen kimia mempunyai corak orbit elektronik sendiri, tetapi bagaimana jika terdapat beberapa dalam satu badan? Lagipun, menurut prinsip Pauli, mereka semua mesti menduduki negeri yang berbeza. Teori band pepejal menawarkan penyelesaian berikut: orbit elektron memperolehi tenaga yang berlainan. Walau bagaimanapun, perbezaan di antara mereka adalah sangat kecil sehingga ia dimampatkan, bertindih satu sama lain dengan ketat, dan membentuk zon berterusan. Jadi, setiap peringkat elektron dalam satu atom berubah menjadi zon dalam kristal pukal. Unsur teori band pepejal akan membantu menjelaskan perbezaan antara dielektrik dan konduktor.

Elektron di dalam zon

Kami telah membincangkan apa yang berlaku kepada set elektron yang menduduki orbit sama dalam atom apabila kristal terbentuk. Tetapi tingkah laku mereka dalam zon setakat ini masih tidak diterangi oleh kami. Memberitahu ini penting kerana ia menentukan perbezaan antara logam dan bukan logam. Seperti yang telah disebutkan di atas, teori band pepejal menunjukkan bahawa di dalam zon tahap tenaga orbit atom berbeza berbeza sedikit sehingga ia membentuk spektrum yang hampir berterusan. Oleh itu, tidak sukar untuk mengatasi halangan potensial di antara mereka untuk elektron - ia bergerak dengan bebas ke atas mereka, walaupun tenaga haba cukup untuk ini. Walau bagaimanapun, setiap zon yang dibenarkan mempunyai had. Selalu ada tahap tenaga yang lebih tinggi atau lebih rendah daripada yang lain.

Valent, dilarang, kekonduksian

Antara zon-zon ini terdapat rantau tenaga di mana tidak ada satu tahap di mana sebuah elektron boleh terletak. Pada carta, ia kelihatan sebagai jurang putih. Dan ia dipanggil zon terlarang. Elektron dapat mengatasi halangan ini hanya dengan jerk. Jadi, dia mesti mendapatkan tenaga yang sesuai untuk ini. Zon dengan tenaga tertinggi, di mana untuk jenis atom yang diberikan kewujudan elektron dibenarkan, disebut valensi, dan seterusnya di belakangnya adalah kekonduksian.

Logam, dielektrik

Teori band kekonduksian pepejal menegaskan bahawa kehadiran atau ketiadaan elektron dalam jalur konduksi menunjukkan betapa mudah aliran arus dalam bahan tertentu. Oleh itu, logam dan dielektrik berbeza. Dalam kes pertama, jalur konduksi sudah mengandungi elektron, kerana ia bertindih dengan jalur valensi. Ini bermakna bahawa zarah-zarah negatif boleh bergerak bebas di bawah pengaruh medan elektromagnetik, tanpa perbelanjaan tambahan tenaga. Oleh itu, arus elektrik dalam logam timbul begitu mudah, sebenarnya - dengan serta-merta, sebaik sahaja medan muncul. Dan untuk alasan yang sama, wayar diperbuat daripada keluli, tembaga, aluminium.

Bahan-bahan di mana jalur konduksi dan jalur valensi dipisahkan dari satu sama lain secara bertenaga dipanggil dielektrik. Elektron mereka terkunci di paras yang dibenarkan. Zon terlarang memisahkan zarah-zarah negatif dari tahap di mana mereka boleh bergerak dengan bebas. Dan tenaga yang mesti disampaikan kepada elektron untuk mengatasinya, akan memusnahkan bahan tersebut. Atau ia akan mengubah sifatnya di luar pengiktirafan. Oleh itu, pembungkusan wayar plastik cair dan terbakar, tetapi tidak menjalankan elektrik.

Semikonduktor

Tetapi ada kelas bahan perantaraan yang mempunyai zon terlarang, tetapi dalam beberapa keadaan dapat melakukan arus listrik. Mereka dipanggil semikonduktor. Seperti dielektrik, mereka mempunyai jurang tenaga di antara jalur pengaliran dan valence. Walau bagaimanapun, ia adalah lebih kecil dan kami akan mengatasi beberapa usaha. Semikonduktor klasik adalah silikon (dalam Latin - silicium). Lembah Silikon yang terkenal terkenal dengan teknologinya berdasarkan penggunaan kristal bahan ini untuk membuat peralatan elektronik.