Teoria bandă de solide. Mecanica cuantică pentru Dummies

Acest articol explică ce teoria banda de solide. Afișate, ceea ce este motivul pentru care este o reprezentare a structurii materiei. Rezultatele diferite metale din dielectrici si semiconductori.

Rosette și Button

De câte ori pe zi, vom click pe diferitele butoane? Nimeni nu chiar gândit să vină nu poate conta - a devenit atât de familiară încât acțiunea. Și omul nu crede că toate acestea este posibil doar datorită cât de ușor este transportă un curent electric în metale. Aprinde lumina, se fierbe ceainic, executați mașina de spălat, să nu mai vorbim de acțiunile de pe smartphone-uri, înseamnă a completa circuitul și permite electronii în conductoarele de a lucra în loc de oameni. Explicarea fenomene precum setul de conductivitate. Cel mai evident, probabil, este teoria banda de solide.

Atom și fierbătoare

Orice om care era în liceu, are o idee despre structura atomului. Să ne amintim în jurul unui nucleu greu încărcat pozitiv (format din protoni și neutroni) se rotesc plămânii electroni mici. Numărul de particule negative , este egal cu numărul exact de pozitiv. Pentru a nu cititori alezaj explica în stilul „mecanicii cuantice pentru Dummies.“ Fiecare orbită de electroni este strict limitată, pentru care se poate roti în jurul miezului într-un element chimic dat. La rândul său, fiecare specie are un model unic atomi astfel de orbite. A fost atât de spectroscopists oamenii de știință distinge bor de seleniu și arsenic de sodiu. Cu toate acestea, în plus față de substanțele pure în natură, există un număr infinit de combinații diferite. Mecanica cuantică (pentru asistență tehnică, cititorul ar trebui să ne amintim) susține că în compuși complecși orbite se intersectează, îmbinare, transforma, întinse, creând o conexiune. Calitatea acestora depinde de tipul: covalente și ionic mai puternic, de hidrogen, de exemplu, este mai slab.

structura cristalină

Corpul solid este mai dificil. Pentru modelul, care foloseste teoria banda de solide, de obicei, să ia un cristal perfect. Acest lucru înseamnă că este fără sfârșit și fără păcat - fiecare atom de pe locul său, taxa totală este zero. Kernel fluctuează în jurul valorii de o anumită poziție de echilibru, dar electronii pot spune în ansamblu. În funcție de modul „ușor“ un atom doneaza particulele sale adiacente negativ, se obține structura electronică rigid predeterminate dielectricilor sau metale nor. Ar trebui să adaug că se presupune că atunci când se analizează toate electronii ocupă cantitatea minimă de energie pentru a le, ceea ce înseamnă că organismul este la zero grade Kelvin. La temperaturi mai ridicate, amplitudinea oscilației ca nuclee și electroni puternic și, prin urmare, acestea din urmă sunt în măsură să ocupe mai ridicate niveluri de energie. distribuția particulelor negative devine mai „liber“. În unele probleme, este important, cu toate acestea, pentru a descrie acest fenomen ca atare, temperatura nu este atât de important.

Principiul Pauli și încărcătorul

Conceptul teoriei banda de solide poate fi atins numai bun să-și amintească ce principiul lui Pauli. Dacă ne imaginăm că electronii - o pungă de zahăr, apoi, în cazul în care aceste pungi o mulțime, încărcător condiționată vor impune reciproc. Fiecare „sac“ are loc în spațiu. Pentru electroni, acest lucru înseamnă că, într-o anumită stare numai unul poate fi într-un singur sistem. Acesta este principiul de excluziune al lui Pauli. Rețineți că avem în vedere condițiile ideale, adică temperatura de zero grade Kelvin, și cristalul infinit. Întregul sistem este în aceleași condiții de temperatură, stres mecanic, defectele sunt aceleași în toate părțile unui întreg.

Zona de cristale electronice

În cristal, o pluralitate de un singur tip de atomi. Un mol de substanță cuprinde un element zece la douăzeci și treilea grad. Câte moli per kilogram, de exemplu, sare? Deci, se poate spune chiar că, chiar și cel mai mic cristal conține inimaginabil mulți atomi. Fiecare element chimic are propriul model de orbite de electroni, și ce să facă în cazul în care acestea sunt într-un singur trup câteva? La urma urmei, în conformitate cu principiul de excluziune, acestea trebuie să ocupe stări diferite. Teoria Band solidelor oferă următoarea cale - orbitele de electroni devin energii diferite. Diferența dintre ele este atât de mică încât acestea sunt presate, sprijinindu-se pe unul de altul foarte strâns pentru a forma o zonă continuă. Astfel, fiecare nivel al electronului în atom este convertit într-o zonă în cristal vrac. Elemente de teoria bandă de solide pot ajuta explica diferența dintre izolatori și conductori.

Electronice în cadrul zonei

Am discutat deja ce se întâmplă cu o mulțime de electroni, care într-un atom ocupă aceeași orbită, formarea cristalului. Dar comportamentul lor în interiorul zonei până când am plecat neluminat. Partajați acest lucru deja de important, deoarece determină diferența dintre metale și nemetale. După cum sa menționat deja mai sus, teoria banda de solide arată că nivelurile de energie din interiorul benzii de atomi individuali orbite diferite diferă atât de mică încât aproape formează un spectru continuu. Astfel, pentru a depăși bariera de potențial între electronul nu este dificil - le mișcă în mod liber, pentru aceasta este suficient chiar și de căldură. Cu toate acestea, fiecare dintre trupa a permis are limitele sale. Există întotdeauna un nivel de energie, care este mai mare sau mai mică decât celelalte.

Valence interzis, conductivitate

Între aceste zone au o suprafață de energie, în cazul în care nu există un nivel la care un electron ar putea fi. În graficele, se pare ca un decalaj de culoare albă. Ea a numit diferența de bandă. Pentru a depăși această barieră de electroni poate doar nesimțit. Deci, el trebuie să primească adecvat pentru această energie. Zona cu cea mai mare energie, care, pentru acest tip de atomi permisă existența electronilor este numită banda de valență, și ca urmare ea - conductivitate.

dielectrică de metal

Teoria banda de conducție de solide susține că prezența sau absența de electroni în banda de conducție indică cât de ușor curge în curent această substanță. Astfel, diferite metale și dielectricilor. În primul caz, banda de conducție conține deja electroni, din moment ce se suprapune cu valență. Un mijloc negativ particule sunt libere să se deplaseze sub acțiunea câmpului electromagnetic, fără aport de energie suplimentară. Prin urmare, curentul electric din metale pare atât de ușor, de fapt - instantaneu, imediat ce domeniu. Și pentru același motiv, firul este fabricat din oțel, cupru, aluminiu.

Materialele pentru care benzile de valență și conducție separate printr-o dielectricilor numita energie. Acești electroni sunt prinse în nivelul inferior permis. decalaj Band separă particulele negative din nivelul în care acestea ar putea deplasa liber. Iar energia care trebuie să fie raportate electronii să-l depășească, distruge materialul. Sau schimba proprietățile sale dincolo de recunoaștere. De aceea, firele folie de plastic se topește și arsuri, dar nu conduce electricitatea.

semiconductori

Dar există o clasă intermediară de materiale care au o bandgap, dar în anumite condiții, capabile de a conduce curent electric. Acestea se numesc - semiconductori. La fel ca dielectric, ele au un decalaj de energie între conducție și valență. Cu toate acestea, este mai puțin și să depășească cu oarecare efort. semiconductor clasică este siliciu (în latină - Siliciu). Celebrul Silicon Valley este renumit pentru tehnologii bazate pe utilizarea cristalelor acestei substanțe este de a crea dispozitive electronice.