Zona teorija krutih tvari. Kvantna mehanika za lutke

U ovom se članku opisuje teorija teorije čvrstih tijela. Pokazuje se, što je točno takva reprezentacija struktura materije. Prikazane su razlike između metala iz dielektrici i poluvodiča.

Socket i gumb

Koliko puta na dan kliknemo na različite gumbe? Nitko ne dolazi na pamet, ne može ga uzeti - tako je poznata ta akcija. A osoba ne misli da je sve to moguće samo zbog lakoće strujanja struje u metalima. Uključite svjetlo, kuhajte čajnik, pokrenite perilicu rublja, a ne spomenuti radnje na pametnim telefonima, znači zatvoriti krug i dopustiti elektrone u vodičima da rade umjesto ljudi. Postoji mnogo objašnjenja za takav fenomen kao vodljivost. Možda je najvidljiviji teorijski sastav krute tvari.

Atom i čajnik

Svatko tko je studirao u školi ima ideju struktura atoma. Podsjetimo da se oko pozitivno napunjene jezgre jezgre (koja se sastoji od protona i neutrona) mali se mali elektroni okreću. Broj negativnih čestica točno jednako broju pozitivnih. Kako ne bi nosili čitatelje, objasnit ćemo u stilu "kvantne mehanike za lutke". Svaki elektron ima strogo ograničenu orbitu na kojoj se može rotirati oko jezgre u danom kemijskom elementu. S druge strane, svaka vrsta atoma ima jedinstveni uzorak takvih orbita. Ovako spektroskopi znanstvenici razlikuju bor od selena i arsena od natrija. Međutim, pored čistih tvari, u prirodi postoji neprocjenjiva količina različitih kombinacija. Kvantna mehanika (za čajnike, kao čitatelj treba zapamtiti) tvrdi da se u složenim spojevima orbiti presijecaju, spajaju, transformiraju, protežu i stvaraju veze. Njihova kvaliteta ovisi o tipu: kovalentni i ionski jači, na primjer, vodik, slabiji.

Kristalna struktura

U čvrstom tijelu, stvari su složenije. Za model koji koristi teoriju krutih čestica, obično se uzima idealni kristal. To znači da je beskonačna i bez grijeha - svaki atom u prostoru koji je dodijeljen, ukupni naboj je nula. Jezgre fluktuiraju oko određene ravnotežne pozicije, ali elektroni, što se može reći, su česti. Ovisno o tome kako "samo" jedan atom daje svoje negativne čestice susjednom, dobiva se kruto određena struktura dielektrika ili elektronski oblak metala. Valja napomenuti da kada se uzme u obzir pretpostavka da svi elektroni zauzimaju minimalnu energiju koja im se dodjeljuje, pretpostavlja se da je tijelo na nuli Kelvin. Na višoj temperaturi amplituda oscilacije obje jezgre i elektroni su jači, što znači da su potonji sposobni zauzeti više razine energije. Distribucija negativnih čestica postaje "labav". U nekim je problemima to važno, ali da se taj fenomen opisuje kao takav, temperatura nije toliko važna.

Načelo Pauli i utovarivača

Koncept teorije bendova čvrstog tijela može se naći jedino sjećajući se dobro što je Paulijev princip. Ako zamislimo da su elektroni vrećice šećera, tada, ako ih ima mnogo, uvjetni punjač će ih međusobno nametnuti. Svaka "vrećica" zauzima svoje mjesto u svemiru. Za elektrone to znači da u ovom određenom stanju može postojati samo jedan sustav u jednom sustavu. Ovo je Paulijev princip. Imajte na umu da mislimo na idealne uvjete, tj. Temperatura je nula Kelvina, a kristal je beskonačan. Cijeli sustav je pod istim uvjetima: temperatura, mehanički stres, defektivnost je ista u svim dijelovima cjeline.

Elektronske kristalne zone

U kristalu, postoji mnogo atoma istog tipa. Jedan mulj tvari sadrži deset u dvadeset i trećoj snazi ​​elemenata. I koliko mola u kilogramu, recimo, sol? Tako možete čak reći da čak i najmanji kristal sadrži nezamislivo mnogo atoma. Svaki kemijski element ima svoj vlastiti obrazac elektroničkih orbita, ali što ako postoji nekoliko u jednom tijelu? Uostalom, prema načelu Pauli, svi moraju zauzeti različite države. Teorija bendova krutih tvari nudi sljedeće rješenje: elektronski orbiti stječu različite energije. Razlika između njih je tako mala da su komprimirana, međusobno se preklapaju vrlo čvrsto i tvore kontinuiranu zonu. Dakle, svaka razina elektrona u jednom atomu postaje zona u rasutom kristalu. Elementi teorije bendova čvrste tvari pomoći će objasniti razliku između dielektrici i vodiča.

Electron unutar zone

Već smo razgovarali o tome što se događa s skupom elektrona koji zauzimaju istu orbitu u atomu kada se formira kristal. No, njihovo ponašanje u zoni do sada ostaje nenadmašeno od nas. To je vrlo važno jer određuje razliku između metala i nemetala. Kao što je gore spomenuto, teorija trake krute tvari ukazuje da se u zoni razina energije različitih orbita pojedinih atoma razlikuje tako malo da tvore gotovo kontinuirani spektar. Dakle, prevladavanje potencijalne barijere između njih za elektron nije teško - ona se slobodno kreće nad njima, čak i toplinska energija je dovoljna za to. Međutim, svaka dopuštena zona ima ograničenja. Uvijek postoji razina energije koja je viša ili niža od svih ostalih.

Valent, zabranjeno, vodljivost

Između tih zona nalazi se energetska regija u kojoj ne postoji jedna razina na kojoj se može locirati elektron. Na grafikonima se pojavljuje kao bijeli praznina. I to se zove zabranjena zona. Elektrona može prevladati ovu barijeru samo s trzajem. Dakle, on mora dobiti odgovarajuću energiju za to. Zonom s najvećom energijom, u kojoj je za danu vrstu atoma dopušteno postojanje elektrona, nazvan je valencija, a sljedeća iza toga je vodljivost.

Metal, dielektrični

Teorija bendova provodljivosti krutih tijela tvrdi da prisutnost ili odsutnost u vodljivom području elektrona pokazuje koliko lako struja teče u određenoj tvari. Tako su metali i dielektrici različiti. U prvom slučaju, vodljivi pojas već sadrži elektrone, jer se preklapa s valencijskim trakom. To znači da se negativne čestice mogu slobodno kretati pod utjecajem elektromagnetskog polja, bez dodatnih troškova energije. Stoga električna struja metala nastaje tako lako, zapravo - trenutačno, čim se pojavi polje. I iz istog razloga, žice su izrađene od čelika, bakra, aluminija.

Materijali u kojima se vodljivi pojas i valentni pojas energetski odvajaju jedni od drugih zovu se dielektrici. Njihovi su elektroni zaključani u nižoj dopuštenom nivou. Zabranjena zona odvaja negativne čestice od razine na kojoj se mogu slobodno kretati. A energija koja se mora priopćiti elektrona kako bi je nadvladala uništit će materijal. Ili će promijeniti svojstva izvan prepoznavanja. Stoga se omotavanje plastične žice zagrijava i opekline, ali ne provodi struju.

poluvodiči

No postoji međufazna klasa materijala koji imaju zabranjenu zonu, ali u nekim uvjetima mogu provoditi električnu struju. Pozvani su kao poluvodiči. Poput dielektrika, oni imaju energetski jaz između vodljivosti i valencijskih vrpci. Međutim, to je manje i nadvladat ćemo s nekim naporima. Klasični poluvodič je silicij (u latinskom siliciumu). poznati silikonska dolina poznat je po tehnologijama koje se temelje na korištenju kristala ove tvari za stvaranje elektroničke opreme.