Zone teori om faste stoffer. Kvantemekanik til dummier

Denne artikel beskriver, hvad der er båndteorien om faste stoffer. Det er vist, hvad er denne repræsentation af materiens struktur. Forskellene mellem metaller fra dielektrikum og halvledere præsenteres.

Stik og knap

Hvor mange gange om dagen klikker vi på en række knapper? Ingen selv kommer til at tænke på, kan ikke overveje dette - så kendt er denne handling. Og personen tror ikke, at alt dette kun er muligt på grund af, hvor nemt en elektrisk strøm strømmer i metaller. Tænd lyset, kog kedlen, kør vaskemaskinen, for ikke at nævne handlingerne på smartphones, betyder at lukke kredsløbet og lade elektronerne i lederne arbejde i stedet for folk. Der er mange forklaringer på et sådant fænomen som ledningsevne. Måske er det mest synlige bandets teori om faste stoffer.

Atom og tekande

Alle, der studerede i skolen, har en ide om atomets struktur. Lad os huske, at omkring den positivt ladede tunge kerne (bestående af protoner og neutroner) lyser små elektroner roterer. Antallet af negative partikler er nøjagtigt svarende til antallet af positive partikler . For ikke at bore læserne, vil vi forklare i stil med "kvantemekanik til dummier". Hver elektron har en strengt begrænset omgang, hvorigennem den kan rotere rundt om kernen i et givet kemisk element. Til gengæld har hver type atomer et unikt mønster af sådanne baner. Sådan skelner forskere-spektroskopere bor fra selen og arsen fra natrium. Men ud over rene stoffer er der utallige mængder af forskellige kombinationer i naturen. Kvantemekanik (for dummierne, som læseren skal huske) hævder, at i komplekse forbindelser krydser kredsløb, sammenfletter, transformerer, strækker og skaber forbindelser. Deres kvalitet afhænger af typen: kovalent og ionisk stærkere, hydrogen, for eksempel svagere.

Krystalstruktur

I en solid krop er tingene mere komplicerede. For en model, der bruger båndteorien om faste stoffer, tages der normalt en ideel krystal. Det betyder, at det er uendeligt og syndløst - hvert atom i det rum der er afsat til det, er den totale ladning nul. Kernerne svinger omkring en bestemt ligevægtsposition, men elektronerne, man måske siger, er almindelige. Afhængigt af, hvordan "bare" et atom giver sine negative partikler til naboerne, opnås en stiv defineret struktur af dielektrikum eller en elektronisk metalmåne. Det er værd at tilføje, at når man overvejer antagelsen om, at alle elektroner indtager den minimale energi, der er tildelt dem, betyder det, at kroppen er på nul Kelvin. Ved en højere temperatur er amplitude af oscillationer af både kerne og elektroner stærkere, hvilket betyder, at sidstnævnte er i stand til at optage højere energiniveauer. Fordelingen af negative partikler bliver mere "skrøbelig". I nogle problemer er dette vigtigt, men for at beskrive dette fænomen som sådan er temperaturen ikke så vigtig.

Princippet om Pauli og lasteren

Begrebet båndteori om en solid krop kan kun findes ved at huske godt, hvad Pauli-princippet er. Hvis vi forestiller os, at elektronerne er sukkerrækker, så vil den betingede læser, hvis der er mange af disse sække, pålægge dem hinanden. Hver "taske" tager plads i rummet. For elektroner betyder det, at der i denne særlige tilstand kun kan være ét i et system. Dette er Pauli-princippet. Bemærk at vi mener ideelle forhold, det vil sige, at temperaturen er nul Kelvin, og krystallet er uendeligt. Hele systemet er under de samme forhold: temperatur, mekaniske belastninger, defekt er de samme i alle dele af det hele.

Elektroniske krystalzoner

I en krystal er der mange atomer af samme type. En mol stof indeholder ti i den tredive tredie kraft af elementerne. Og hvor mange mol i et kilo, siger salt? Så du kan endda sige, at selv den mindste krystal indeholder et urepræsentabelt antal atomer. Hvert kemisk element har sit eget mønster af elektroniske baner, men hvad hvis der er flere i en krop? Efter alt Pauli's princip skal de alle besætte forskellige stater. Bandteorien af faste stoffer tilbyder følgende løsning: elektronbaner erhverver forskellige energier. Men forskellen mellem dem er så lille, at de komprimeres, overlapper hinanden meget tæt og danner en kontinuerlig zone. Således omdannes hvert niveau af en elektron i et atom til en zone i en bulkkrystal. Elementer af båndteorien om faste stoffer vil hjælpe med at forklare forskellen mellem dielektrikum og ledere.

Elektron inden i zonen

Vi har allerede diskuteret hvad der sker med det sæt elektroner, der besætter den samme omløb i et atom, når en krystal er dannet. Men deres adfærd inden for zonen er hidtil uoplyst af os. At fortælle dette er vigtigt, fordi det bestemmer forskellen mellem metaller og ikke-metaller. Som allerede nævnt angiver båndteorien om faste stoffer, at inden for zonen varierer energiniveauerne af forskellige kredsløb af individuelle atomer så lidt, at de danner et næsten kontinuerligt spektrum. Det er således ikke svært at overvinde den potentielle barriere mellem dem for en elektron - den bevæger sig frit over dem, selv termisk energi er nok til dette. Dog har alle tilladte zoner grænser. Der er altid et energiniveau, der er højere eller lavere end alle de andre.

Valent, forbudt, ledningsevne

Mellem disse zoner er der en energiregion, hvor der ikke er et niveau, hvor en elektron kan være placeret. På diagrammerne ser det ud som et hvidt hul. Og det hedder en forbudt zone. Elektronen kan kun overvinde denne barriere ved en rykke. Så han skal få den rette energi til dette. Zonen med den højeste energi, hvor den elektroniske eksistens er tilladt for den givne type atomer, hedder valens, og den næste bagved er ledningsevnen.

Metal, dielektrisk

Bandets teori om ledningsevne af faste stoffer hævder, at tilstedeværelsen eller fraværet af elektroner i ledningsbåndet angiver, hvor let en strøm strømmer i et givet stof. Metaller og dielektrikum er således forskellige. I det første tilfælde indeholder ledningsbåndet allerede elektroner, da det overlapper med valensbåndet. Det betyder, at negative partikler kan bevæge sig frit under påvirkning af et elektromagnetisk felt uden yderligere energiforbrug. Derfor opstår den elektriske strøm i metaller så let, faktisk - straks, så snart feltet vises. Og af samme grund er ledningerne fremstillet af stål, kobber, aluminium.

Materialer, hvor ledningsbåndet og valensbåndet er energisk adskilt fra hinanden kaldes dielektrikum. Deres elektroner er låst i det lavere tilladte niveau. Den forbudte zone adskiller de negative partikler fra det niveau, hvor de kunne bevæge sig frit. Og den energi, der skal formidles til elektronerne for at overvinde det, vil ødelægge materialet. Eller det vil ændre sine egenskaber uden anerkendelse. Derfor smelter plastikindpakningen og brænder, men udfører ikke elektricitet.

halvledere

Men der er en mellemklasse klasse af materialer, der har en forbudt zone, men i visse forhold er i stand til at foretage en elektrisk strøm. De kaldes halvledere. Ligesom dielektrikum har de et energiforbrug mellem lednings- og valensbåndene. Men det er mindre, og vi vil overvinde nogle af indsatsen. Den klassiske halvleder er silicium (i latin - silicium). Den berømte Silicon Valley er berømt for sine teknologier baseret på brugen af krystaller af dette stof til at skabe elektronisk udstyr.