Теория на зоните на твърдите вещества. Квантова механика за манекени

Тази статия описва каква е теорията на групата за твърди вещества. Показано е, какво точно е такова представяне структурата на материята. Разликите между металите от диелектриците и полупроводниците са представени.

Щепсел и бутон

Колко пъти на ден кликваме върху различни бутони? Никой дори не идва на ум не може да го вземе - толкова познато е това действие. И човек не мисли, че всичко това е възможно само заради това, колко лесно тече електрически ток в металите. Включете светлината, заври каната, пуснете пералнята, да не говорим за действията на смартфоните, означава да затворите веригата и да позволите на електроните в проводниците да работят вместо хора. Има много обяснения за това явление като проводимост. Може би най-видимата е теорията на групата на твърдите вещества.

Атом и чайници

Всеки, който е учил в училище, има представа за това структурата на атома. Нека припомним, че около положително зареденото тежко ядро ​​(състоящо се от протони и неутрони) светлините на малките електрони се въртят. Брой на отрицателни частици точно се равнява на броя на положителните. За да не носим читателите, ще обясним в стила на "квантовата механика за манекени". Всеки електрон има строго ограничена орбита, по която може да се върти около ядрото в даден химичен елемент. От своя страна всеки тип атоми има уникален модел на такива орбити. Ето как учените-спектроскопци разграничават бор от селен и арсен от натрий. Въпреки това, в допълнение към чистите вещества, в природата има неизчислимо количество от различни комбинации. Квантовата механика (за чайника, както читателят трябва да помни) твърди, че в сложни съединения орбитите се пресичат, сливат, трансформират, протягат, създават връзки. Тяхното качество зависи от вида: ковалентна и йонна сила, например водород, по-слаб.

Кристална структура

В едно здраво тяло нещата са по-сложни. За модел, който използва теорията на групата за твърди вещества, обикновено се използва идеален кристал. Това означава, че е безкраен и безгрешен - всеки атом в пространството, разпределено за него, общото натоварване е нула. Ядрата се колебаят около определена равновесна позиция, но електроните, както може да се каже, са чести. В зависимост от това как "само" един атом дава своите отрицателни частици на съседна, се получава строго определена структура от диелектрици или електронен облак от метали. Струва си да се добави, че когато се разглежда предположението, че всички електрони заемат минималната енергия, която им е разпределена, се приема, че тялото е на нула Келвин. При по-висока температура амплитуда на колебание както ядрата, така и електроните са по-силни, което означава, че последните могат да заемат по-високо енергийните нива. Разпределението на отрицателните частици става по-скоро "разхлабено". При някои проблеми това е важно, но за да опишем това явление като такава, температурата не е толкова важна.

Принцип на Паули и товарача

Концепцията за теорията на групата за солидно тяло може да се намери само като се помни добре какво е принципът на Паули. Ако си представим, че електроните са чували със захар, тогава ако има много от тези торби, условният товарач ще ги наложи един на друг. Всяка "чанта" заема своето място в пространството. За електроните това означава, че в това конкретно състояние в една система може да съществува само една система. Това е принципът Паули. Обърнете внимание, че имаме предвид идеалните условия, т.е. температурата е нула Келвин, а кристалът е безкраен. Цялата система е в същите условия: температура, механичен стрес, дефективността е еднакво във всички части на цялото.

Електронни кристални зони

В един кристал има много атоми от същия тип. Един мол от вещество съдържа десет в двадесет и третата сила на елементите. И колко къртици в килограм, да речем сол? Така че дори можете да кажете, че дори най-малкият кристал съдържа невъобразимо много атоми. Всеки химически елемент има свой собствен модел на електронни орбити, но какво, ако има няколко в едно тяло? В края на краищата, според принципа на Паули, всички те трябва да заемат различни държави. Теорията на лентите за твърдите вещества предлага следното решение: електронните орбити придобиват различни енергии. Разликата между тях е толкова малка, че те са сгъстени, препокриват се много плътно и образуват непрекъсната зона. Така всяко ниво на електрона в един атом става зона в насипен кристал. Елементи от групата теория на твърдите вещества ще помогне да се обясни разликата между dielectrics и диригенти.

Електрон в зоната

Вече обсъдихме какво се случва с набора от електрони, които заемат една и съща орбита в атом, когато се образува кристал. Но тяхното поведение в зоната досега не е осведомено от нас. Това е важно, защото определя разликата между метали и неметали. Както бе споменато по-горе, теорията на групата за твърди вещества показва, че в зоната енергийните нива на различните орбити на отделните атоми се различават толкова малко, че те образуват почти непрекъснат спектър. По този начин, за да се преодолее потенциалната бариера между тях за един електронен не е трудно - той се движи свободно над тях, дори топлинна енергия е достатъчна за това. Въпреки това, всяка разрешена зона има ограничения. Винаги има енергийно ниво, което е по-високо или по-ниско от всички останали.

Валента, забранена проводимост

Между тези зони има енергиен регион, в който няма едно ниво, на което да може да бъде разположен електрона. На графиките изглежда като бяла пропаст. И се нарича забранена зона. Електронът може да преодолее тази бариера само с дрънкане. Така че, той трябва да получи подходящата енергия за това. Зоната с най-голяма енергия, в която за дадения тип атоми е позволено съществуването на електрони, се нарича валентност, а следващата зад нея е проводимостта.

Метал, диелектрик

Групата теория на проводимостта на твърди вещества твърди, че присъствието или отсъствието в проводника лента от електрони показва колко лесно текущата потоци в дадено вещество. По този начин металите и диелектриците са различни. В първия случай, проводниковата лента вече съдържа електрони, тъй като тя се припокрива с валентната лента. Това означава, че отрицателните частици могат да се движат свободно под въздействието на електромагнитно поле без допълнителни разходи за енергия. Следователно електрическият ток в металите възниква толкова лесно, всъщност - мигновено, веднага щом се появи полето. И по същата причина жиците са изработени от стомана, мед, алуминий.

Материалите, в които лентата за проводимост и лентата на валентността са енергично отделени една от друга, се наричат ​​диелектрици. Техните електрони са заключени на долното позволено ниво. Забранената зона разделя отрицателните частици от нивото, на което могат да се движат свободно. И енергията, която трябва да се предаде на електроните, за да се преодолее, ще унищожи материала. Или ще промени неговите свойства без да го признае. Поради това пластмасовата обвивка се топи и изгаря, но не води електричество.

полупроводници

Но има междинен клас материали, които имат забранена зона, но в някои условия са способни да водят електрически ток. Те се наричат ​​полупроводници. Подобно на диелектриците, те имат енергийна разлика между проводимостта и валентните ленти. Въпреки това, това е по-малко и ние ще преодолеем с някои усилия. Класическият полупроводник е силиций (в латински - силиций). известният силиконова долина е известен с технологии, основаващи се на използването на кристали от това вещество за създаването на електронно оборудване.