Teoria band e solids. Mekanika kuantike për Dummies

Ky artikull shpjegon se çfarë teoria band e solids. Treguar, çfarë është arsyeja se është një përfaqësim i strukturës së materies. Rezultatet e metaleve të ndryshme nga dielectrics dhe gjysmëpërçuesve.

Rozetë dhe Button

Sa herë në ditë ne do të klikoni mbi butonat e ndryshme? Askush nuk mendonte që do të vijnë nuk mund të llogarisë atë - është bërë aq e njohur që veprimi. Dhe njeriu nuk mendon se e gjithë kjo është vetëm e mundur në sajë se sa e lehtë është që mbante një aktuale elektrike në metale. Kthehet në dritë, vlim kazan, drejtuar makinë larëse, për të mos përmendur veprimet në smartphones, do të thotë të përfunduar qark dhe do të lejojë elektronet në përçues për të punuar në vend të njerëzve. Shpjegimi i fenomeneve të tilla si grup përçueshmëri. Më e dukshme, ndoshta, është teoria band e solids.

Atom dhe kazanat

Kushdo që ka qenë në shkollë të mesme, ka një ide të strukturës së atomit. Kujtojnë rreth një bërthamë ngarkuar pozitivisht rënda (përbëhet nga protonet dhe neutronet) rrotullohen mushkëritë elektrone pak. Numri i grimcave negative pikërisht barabartë me numrin e pozitive. Në mënyrë që të mos lexuesit lindi, shpjegojnë në stilin e "Mekanikë kuantike për Dummies." Çdo orbitë elektron është rreptësisht e kufizuar, për të cilat ajo mund të rrotullohen rreth bërthamës në një element të caktuar kimik. Nga ana tjetër, çdo specie ka një model unik atomeve orbita të tilla. Ajo ishte aq spectroscopists shkencëtarë të dalluar bor nga selen dhe arsenik nga sodiumit. Megjithatë, përveç substancave pastër në natyrë, ka një numër të pafund të kombinime të ndryshme. mekanika kuantike (For Dummies, lexuesi duhet të mbani mend) argumenton se në komponimet komplekse orbitat ndërpritet, shkrihen, të transformuar, shtrirë, duke krijuar një lidhje. cilësia e tyre varet nga lloji: kovalente dhe jonik fortë, hidrogjeni, për shembull, është më i dobët.

strukturë kristal

Trupi ngurta është më e vështirë. Për modelin, e cila përdor teorinë band e solids, zakonisht marrin një kristal të përsosur. Kjo do të thotë se ajo është e pafund dhe pa mëkat - çdo atom në vendin e saj, ngarkesa totale është zero. Kernel luhatet rreth një pozitë të veçantë të ekuilibrit, por elektronet mund të themi në përgjithësi. Varësisht se si "e lehtë" një atom dhuron grimcat e saj të ngjitur negative, ajo është marrë strukturën fort paracaktuar elektronik të dielectrics apo metale të re. Unë duhet të shtoj se kur të marrë parasysh është supozuar se të gjitha elektronet zënë sasinë minimale të energjisë së tyre, që do të thotë se trupi është në zero Kelvin. Në temperatura të larta, amplitudë e lëkundje si bërthamave dhe elektronet me forcë dhe, kështu, këto të fundit janë në gjendje për të zënë më të larta nivelet e energjisë. grimcat negative shpërndarja bëhet më "lirshme". Në disa probleme, është e rëndësishme, megjithatë, për të përshkruar këtë fenomen si temperatura e tillë nuk është aq e rëndësishme.

Parimi Pauli dhe hamall

Koncepti i teorisë grupit të solids mund të arrihet vetëm e mirë për të kujtuar se çfarë parimi Pauli. Nëse ne imagjinojmë se elektronet - një qese me sheqer, pastaj, në qoftë se këto çanta shumë, hamall kusht do që ata imponojnë mbi njëri-tjetrin. Çdo "qese" merr vendin e saj në hapësirë. Për elektroneve, kjo do të thotë se në një shtet të caktuar vetëm një mund të jetë në një sistem. Ky është parimi Pauli përjashtimit. Vini re se ne kemi parasysh kushte ideale, dmth temperaturën e zero Kelvin, dhe kristal pafund. I gjithë sistemi është në të njëjtat kushte të temperaturës, stresi mekanik, defekte janë të njëjta në të gjitha pjesët e një e tërë.

Kristal elektronike zone

Në kristali, nje mori e një lloji të atomeve. Një mol i substancës përbëhet nga elemente shkallë dhjetë gjer në njëzet të tretën. Sa moles për kilogram, për shembull, kripë? Kështu që ju mund edhe të them se edhe kristal vogël përmban unimaginably shumë atome. Çdo element kimik ka modelin e vet të orbitave elektron, dhe çfarë të bëni nëse ata janë në një trup pak? Pas të gjitha, sipas parimit të përjashtimit Pauli, ata duhet të zënë shtete të ndryshme. Teoria Band e solids ofron mënyrën e mëposhtme - orbitat elektronike bëhet energjitë e ndryshme. Dallimi në mes tyre është aq i vogël që ata janë të shtyrë, të mbështetur në njëri-tjetrin shumë fort për të formuar një zonë të vazhdueshme. Kështu, secili niveli i elektroneve ne atomin është konvertuar në një zonë të kristalit të madhe. Elementet e teorisë grupit të solids mund të ndihmojë të shpjegojë dallimin në mes të izolatorëve dhe përçuesve.

Electronic brenda zonës së

Ne kemi diskutuar tashmë se çfarë po ndodh me një shumë të elektroneve, të cilat në një atom të zënë të njëjtën orbitë, formimin e kristal. Por sjellja e tyre brenda zonës deri sa ne e kemi lënë pandriçuar. Share këtë tashmë e rëndësishme, sepse ajo përcakton dallimin mes metaleve dhe jometaleve. Siç u përmend më lart, grupi teoria e solids tregon se nivelet e energjisë brenda grupit të atomeve individuale orbitat e ndryshme dallojnë aq pak që pothuajse të formojnë një spektër të vazhdueshëm. Kështu, për të kapërcyer pengesën e mundshme mes elektroneve nuk është e vështirë - ajo lëviz ato lirisht, për këtë është e mjaftueshme edhe për ngrohje. Megjithatë, secili prej band lejuar ka kufijtë e saj. Nuk është gjithmonë një nivel të energjisë që është më e lartë ose më e ulët se të tjerët.

Valence ndaluar, përçueshmëri

Në mes të këtyre zonave kanë një sipërfaqe të energjisë, ku nuk ka asnjë niveli në të cilin një elektron mund të jetë. Në grafikët, ajo duket si një hendek të bardhë. Atëherë Agari thirri hendekun band. Për të kapërcyer këtë pengesë elektron vetëm mund hov. Pra, ai duhet të marrë të përshtatshme për këtë energji. Zona me energji më të madhe, e cila për këtë lloj të atomeve lejuar ekzistencën e elektroneve quhet band valencë, dhe pas atë - përçueshmëri.

dielektrike metalike

Kryerja band teoria e solids pohon se prania ose mungesa e elektroneve në brezin përçueshmëri tregon se sa lehtë rrjedh në këtë substancë të tanishme. metale Kështu ndryshme dhe dielectrics. Në rastin e parë, grupi përçueshmëri tashmë përmban elektronet, që përputhet me valencë. Një grimcat mjetet negative janë të lirë të lëvizin nën veprimin e fushës elektromagnetike, pa asnjë kontribut shtesë të energjisë. Prandaj, rryma elektrike në metale të shfaqet në mënyrë të lehtë, në fakt - menjëherë, sa më shpejt që të fushës. Dhe për të njëjtën arsye, tela është bërë nga çeliku, bakri, alumini.

Materialet për të cilat Valence dhe përçueshmëri bende ndara nga një energji-quajtur dielectrics. Këto elektronet janë të bllokuar në nivel më të ulët të lejuar. hendeku Band ndan grimcat negative nga niveli në të cilën ata mund të lëvizin lirshëm. Dhe energjia që duhet të raportohet në elektronet për të kapërcyer atë, të shkatërrojë materialin. Ose të ndryshojë vetitë e saj përtej njohjes. Prandaj, telat plastike përfundojë shkrihet dhe djegiet, por nuk kryejnë të energjisë elektrike.

Gjysem

Por ka një klasë e ndërmjetme e materialeve që kanë një bandgap, por nën kushte të caktuara të aftë për kryerjen aktuale elektrike. Ata janë quajtur - Gjysem. Ashtu si dielektrike, ata kanë një hendek të energjisë në mes të përcjelljeve dhe valencë. Megjithatë, ajo është më pak dhe për të kapërcyer me disa përpjekje. gjysmëpërçues klasike është silic (në latinisht - silicium). I famshëm Silicon Valley është e njohur për teknologji të bazuara në përdorimin e kristaleve të kësaj substance është për të krijuar pajisjet elektronike.