Teorija cone trdnih snovi. Kvantna mehanika za lutke

Ta članek opisuje, kakšna je skupina teorija trdnih snovi. Pokazalo se je, kaj točno je taka predstavitev struktura snovi. Predstavljene so razlike med kovinami iz dielektrikov in polprevodnikov.

Vtičnica in gumb

Kolikokrat na dan kliknemo na različne gumbe? Nihče se niti ne spomni, ne more sprejeti - tako dobro je to dejstvo. In oseba ne misli, da je vse to mogoče samo zaradi tega, kako zlahka pride električni tok v kovine. Vklopite luč, kuhajte grelnik vode, zaženite stroj za pranje perila, da ne omenjate dejanj na pametnih telefonih, pomeni, da zaprete vezje in pustite, da elektroni v prevodnikih delajo namesto ljudi. Obstaja veliko razlag za tak pojav kot prevodnost. Morda najbolj vidna je skupina teorije trdnih snovi.

Atom in čajniki

Vsak, ki je študiral v šoli, ima idejo o strukturo atoma. Spomnimo se, da se okrog pozitivno napolnjenega težkega jedra (ki sestoji iz protonov in nevtronov) vrtijo lahki majhni elektroni. Število negativne delce točno enako številu pozitivnih. Da ne bomo imeli bralcev, bomo razložili v slogu "kvantne mehanike za lutke". Vsak elektron ima strogo omejeno orbito, po kateri se lahko vrti okoli jedra v danem kemičnem elementu. Po drugi strani ima vsaka vrsta atomov edinstven vzorec takih orbit. Tako znanstveniki spektroskopov ločijo boran iz selena in arzena iz natrija. Vendar pa je poleg čistih snovi v naravi tudi neprecenljiva količina različnih kombinacij. Kvantna mehanika (za čajnike, kot se bralec spominja), trdi, da se v kompleksnih spojnih zvezah sekajo, se združijo, pretvorijo, raztezajo in ustvarjajo povezave. Njihova kakovost je odvisna od vrste: kovalenten in ionski močnejši, vodik, na primer, šibkejši.

Kristalna struktura

V trdnem telesu so stvari bolj zapletene. Za model, ki uporablja skupino teorije trdnih snovi, se običajno vzame idealen kristal. To pomeni, da je neskončen in brezgotov - vsak atom v dodeljenem prostoru, skupni naboj je nič. Jedro niha okoli določenega ravnotežnega položaja, toda elektroni, ki bi lahko rekli, so pogosti. Odvisno od tega, kako "samo" en atom daje svoje negativne delce sosednjemu, se pridobi togo definirana struktura dielektrik ali elektronski oblak kovin. Upoštevati je treba, da pri preučevanju predpostavke, da vsi elektroni zasedajo minimalno energijo, ki jim je bila dodeljena, se domneva, da je telo na nič Kelvin. Pri višji temperaturi amplituda nihanja tako jedra kot elektroni so močnejši, kar pomeni, da lahko slednji zasedajo višje energijske ravni. Porazdelitev negativnih delcev postane bolj "ohlapna". V nekaterih težavah je to pomembno, toda za opis tega pojava kot takega temperatura ni tako pomembna.

Načelo Paulija in nakladalca

Koncept pasovne teorije trdnega telesa lahko najdemo le s tem, da dobro zapomnimo, kaj je Paulijev princip. Če si predstavljamo, da so elektrone vrečke sladkorja, jih bo pogojni nakladač medsebojno naložil, če jih je veliko teh vreč. Vsaka "vreča" zavzame svoje mesto v vesolju. Za elektrone to pomeni, da lahko v tem sistemu samo en sistem obstaja v enem sistemu. To je Paulijev princip. Upoštevajte, da mislimo na idealne pogoje, to je, da je temperatura nič Kelvin, kristal pa je neskončen. Celoten sistem je v enakih pogojih: temperatura, mehanski stres, pomanjkljivost je enaka v vseh delih celote.

Elektronske kristalne cone

V kristalu je mnogo atomov istega tipa. En mol vsebine vsebuje deset v dvaindvajsetih močeh elementov. In koliko kilogramov v kilogramu, recimo, sol? Torej lahko celo rečete, da tudi najmanjši kristal vsebuje nepojasljivo veliko atomov. Vsak kemični element ima svoj vzorec elektronskih orbit, vendar kaj, če je več v enem telesu? Konec koncev, po načelu Paulija morajo vsi zasedati različne države. Teorija pasov trdnih snovi ponuja naslednjo rešitev: elektronske orbite pridobivajo različne energije. Razlika med njimi je tako majhna, da so stisnjena, se zelo tesno prekrivajo in oblikujejo neprekinjeno območje. Tako vsaka stopnja elektrona v enem atomu postane območje v razsutem kristalu. Elementi teorije trdnih delcev bodo pojasnili razliko med dielektriki in vodniki.

Elektron znotraj območja

Razpravljali smo že o tem, kaj se zgodi z množico elektronov, ki zasedajo isto orbito v atomu, ko se tvori kristal. Toda njihovo vedenje v coni doslej še ni bilo razsvetljeno od nas. To je pomembno, ker določa razliko med kovinami in nekovinami. Kot je bilo že omenjeno, teorija pasov na trdnih delcih kaže, da se v območju energijske ravni različnih orbit posameznih atomov tako malo razlikujejo, da tvorijo skoraj neprekinjen spekter. Tako za premostitev morebitne pregrade med njimi za elektron ni težko - se prosto giblje nad njimi, za to pa je dovolj tudi toplotna energija. Vendar ima vsaka dovoljena cona omejitve. Vedno je raven energije, ki je višja ali nižja od vseh ostalih.

Valentin, prepovedana, prevodnost

Med temi območji obstaja energetska regija, v kateri ni ene stopnje, na kateri bi lahko bil elektron. Na lestvicah je videti kot bela vrzel. In se imenuje prepovedana cona. Elektron lahko premaga to pregrado samo s kretenom. Zato mora dobiti ustrezno energijo za to. Območje z največjo energijo, v kateri je za dano vrsto atomov dovoljen obstoj elektrona, se imenuje valenca, naslednji pa je prevodnost.

Metal, dielektrični

Teorija pasov prevodnosti trdnih snovi trdi, da prisotnost ali odsotnost v condukcijskem pasu elektronov kaže, kako težko je tok v določeni snovi. Tako so kovine in dielektriki različni. V prvem primeru pas condukcije že vsebuje elektrone, saj se prekriva z valenčnim pasom. To pomeni, da se lahko negativni delci prosto gibljejo pod vplivom elektromagnetnega polja, brez dodatnih stroškov energije. Zato se električni tok v kovinah pojavlja tako enostavno, pravzaprav - takoj, takoj ko se pojavi polje. Iz istega razloga so žice izdelane iz jekla, bakra, aluminija.

Materiali, v katerih sta cona in valenčni pas močno ločeni drug od drugega, se imenujejo dielektrika. Njihovi elektroni so zaklenjeni v nižji dovoljeni ravni. Prepovedano območje ločuje negativne delce od ravni, na katerem se lahko prosto gibljejo. In energija, ki jo je treba sporočiti elektronom, da bi jo premagali, bo uničila material. Ali bo svoje lastnosti spremenila brez priznanja. Zato se plastična žica ovija, topi in opeče, vendar ne vodi električne energije.

Polprevodniki

Vendar obstaja vmesni razred materialov, ki imajo prepovedano cono, vendar so v nekaterih pogojih sposobni voditi električni tok. Imenujejo se polprevodniki. Tako kot dielektriki imajo energijsko vrzel med prevodnimi in valenčnimi pasovi. Vendar pa je manj in z nekaterimi napori bomo premagali. Klasični polprevodnik je silicij (v latinici - silicij). Poznan silikonska dolina je znan po tehnologijah, ki temeljijo na uporabi kristalov te snovi za izdelavo elektronske opreme.