Teoria zonelor solide. Mecanica cuantică pentru manechine

Acest articol descrie ce este teoria benzii solide. Este arătat, ce anume este o astfel de reprezentare structura materiei. Se prezintă diferențele dintre metale din dielectric și semiconductori.

Soclu și buton

De câte ori faceți clic pe o varietate de butoane pe zi? Nimeni nu vine în minte nu poate să-l ia - atât de familiar este această acțiune. Iar o persoană nu crede că toate acestea sunt posibile doar din cauza faptului că curentul electric curge ușor în metale. Aprinde lumina, se fierbe ceainic, executați mașina de spălat, să nu mai vorbim de acțiunile de pe smartphone-uri, înseamnă a completa circuitul și permite electronii în conductoarele de a lucra în loc de oameni. Există multe explicații pentru un astfel de fenomen ca conductivitatea. Poate că cea mai vizibilă este teoria benzilor solide.

Atom și ceainice

Toți cei care au studiat la școală au o idee structura atomului. Să ne reamintim că în jurul nucleului greu încărcat pozitiv (constând din protoni și neutroni) se rotesc electroni mici mici. Număr de particule negative exact este egal cu numărul de pozitive. Pentru a nu purta cititorii, vom explica în stilul "mecanicii cuantice pentru manechine". Fiecare electron are o orbită strict limitată de-a lungul căreia se poate roti în jurul nucleului într-un element chimic dat. La rândul său, fiecare tip de atomi are un model unic de astfel de orbite. Acesta este modul în care oamenii de știință - spectroscopii disting borul de seleniu și arsenic de sodiu. Cu toate acestea, în plus față de substanțe pure, în natură există o cantitate incalculabilă de diferite combinații. Mecanica cuantică (pentru asistență tehnică, cititorul ar trebui să ne amintim) susține că în compuși complecși orbite se intersectează, îmbinare, transforma, întinse, creând o conexiune. Calitatea acestora depinde de tipul: covalent și ionic mai puternic, hidrogen, de exemplu, mai slab.

Structura cristalului

Într-un corp solid, lucrurile sunt mai complicate. Pentru un model care utilizează teoria benzilor solide, se ia de obicei un cristal ideal. Aceasta înseamnă că este infinită și fără păcat - fiecare atom din spațiul alocat, încărcarea totală este zero. Nucleul fluctuează în jurul unei poziții de echilibru, dar electronii, se poate spune, sunt obișnuiți. În funcție de modul „ușor“ un atom doneaza particulele sale adiacente negativ, se obține structura electronică rigid predeterminate dielectricilor sau metale nor. Ar trebui să adaug că se presupune că atunci când se analizează toate electronii ocupă cantitatea minimă de energie pentru a le, ceea ce înseamnă că organismul este la zero grade Kelvin. La o temperatură mai ridicată amplitudinea oscilației atât nucleele, cât și electronii sunt mai puternice, ceea ce înseamnă că acestea din urmă sunt capabile să ocupe mai mult nivelurile de energie. Distribuția particulelor negative devine mai "liberă". În unele probleme acest lucru este important, dar pentru a descrie acest fenomen ca atare, temperatura nu este atât de importantă.

Principiul Pauli și încărcătorul

Conceptul teoriei de bandă a unui corp solid poate fi găsit numai prin amintirea bine a principiului Pauli. Dacă ne imaginăm că electronii sunt saci de zahăr, atunci, dacă sunt multe dintre aceste pungi, încărcătorul condiționat le va impune unul pe altul. Fiecare "sac" își ocupă locul în spațiu. Pentru electroni, aceasta înseamnă că, în această stare particulară, un singur sistem poate exista într-un singur sistem. Acesta este principiul Pauli. Rețineți că noi înțelegem condițiile ideale, adică temperatura este zero Kelvin, iar cristalul este infinit. Întregul sistem este în aceleași condiții: temperatură, stres mecanic, defectivitatea este aceeași în toate părțile întregului.

Zone electronice de cristal

Într-un cristal, există mulți atomi de același tip. Un mol de substanță conține zece în puterea douăzeci și treia a elementelor. Și câți kilograme într-un kilogram, să zicem, sare? Deci, chiar puteți spune că și cel mai mic cristal conține nenumărate atomi. Fiecare element chimic are propriul model de orbite electronice, dar ce se întâmplă dacă există mai multe în același corp? La urma urmei, conform principiului lui Pauli, toți trebuie să ocupe stări diferite. Teoria benzilor solide oferă următoarea soluție: orbitele electronice dobândesc diferite energii. Diferența dintre ele este atât de mică încât acestea sunt comprimate, se suprapun unul pe altul foarte strâns și formează o zonă continuă. Astfel, fiecare nivel al unui electron într-un atom devine o zonă într-un cristal viu. Elementele din teoria benzilor solide vor ajuta la explicarea diferenței dintre dielectrici și dirijori.

Electron în interiorul zonei

Am discutat deja ce se întâmplă cu setul de electroni care ocupă aceeași orbită într-un atom când se formează un cristal. Dar comportamentul lor în zonă până acum nu mai este luminat de noi. Spunând acest lucru este important deoarece determină diferența dintre metale și nemetale. După cum sa menționat deja mai sus, teoria banda de solide arată că nivelurile de energie din interiorul benzii de atomi individuali orbite diferite diferă atât de mică încât aproape formează un spectru continuu. Astfel, pentru a depăși bariera potențială între ele pentru un electron nu este dificilă - se mișcă liber peste ele, chiar și energia termică este suficientă pentru asta. Cu toate acestea, fiecare zonă permisă are limite. Există întotdeauna un nivel de energie mai mare sau mai mic decât toate celelalte.

Valent, conductivitate interzisă

Între aceste zone există o regiune a energiei în care nu există un nivel pe care ar putea fi localizat un electron. Pe grafice, apare ca un decalaj alb. Și se numește o zonă interzisă. Electronul poate depăși această barieră doar prin jark. Deci, trebuie să obțină energia potrivită pentru asta. Zona cu cea mai mare energie, în care pentru tipul de atom dat dat este permisă existența electronilor, se numește valență, iar următoarea din urmă este conductivitatea.

Metal, dielectric

Teoria benzii de conductivitate a solidelor afirmă că prezența sau absența electronilor în banda de conducție arată cât de ușor este fluxul curent într-o anumită substanță. Astfel, metalele și dielectricile sunt diferite. În primul caz, banda de conducție conține deja electroni, deoarece se suprapune cu banda de valență. Aceasta înseamnă că particulele negative se pot mișca liber sub influența unui câmp electromagnetic, fără cheltuieli suplimentare de energie. Prin urmare, curentul electric în metale se ridică atât de ușor, de fapt - instantaneu, de îndată ce apare câmpul. Și din același motiv firele sunt realizate din oțel, cupru, aluminiu.

Materialele în care banda de conducție și banda de valență sunt separate una de alta energic se numesc dielectrice. Electronii lor sunt blocați la nivelul inferior permis. Zona interzisă separă particulele negative de nivelul la care se pot mișca liber. Și energia care trebuie comunicată electronilor pentru ao depăși va distruge materialul. Sau își va schimba proprietățile dincolo de recunoaștere. Prin urmare, ambalajul sârmelor din plastic se topește și arde, dar nu conduce energia electrică.

semiconductori

Dar există o clasă intermediară de materiale care au o zonă interzisă, dar în anumite condiții sunt capabile să conducă un curent electric. Acestea sunt numite semiconductori. Ca și dielectricii, au un decalaj energetic între benzile de conducție și valență. Cu toate acestea, este mai puțin și vom depăși unele eforturi. Semiconductorul clasic este siliciul (în latină - siliciu). celebra valea siliconului este renumit pentru tehnologiile bazate pe utilizarea cristalelor acestei substanțe pentru crearea de echipamente electronice.