Band teori padatan. Mekanika kuantum untuk Dummies

Artikel ini menjelaskan apa teori band padatan. Tampil, apa itu alasan itu adalah representasi dari struktur materi. Hasil logam yang berbeda dari bahan dielektrik dan semikonduktor.

Rosette dan Button

Berapa kali sehari kita akan mengklik berbagai tombol? Tidak ada satu bahkan berpikir untuk datang tidak dapat menghitungnya - telah menjadi begitu akrab tindakan itu. Dan manusia tidak berpikir bahwa semua ini hanya dimungkinkan berkat betapa mudahnya membawa arus listrik dalam logam. Menyalakan lampu, merebus ketel, jalankan mesin cuci, belum lagi tindakan pada smartphone, berarti menyelesaikan sirkuit dan memungkinkan elektron dalam konduktor untuk bekerja bukan orang. Penjelasan fenomena seperti konduktivitas set. Yang paling jelas, mungkin, adalah teori band padatan.

Atom dan ceret

Setiap orang yang berada di SMA, memiliki gagasan tentang struktur atom. Ingat sekitar inti berat bermuatan positif (terdiri dari proton dan neutron) memutar paru elektron kecil. Jumlah partikel negatif persis sama dengan jumlah yang positif. Agar tidak membosankan pembaca, menjelaskan dalam gaya "Mekanika Quantum for Dummies." Setiap orbit elektron sangat terbatas, untuk yang bisa berputar di sekitar inti dalam unsur kimia tertentu. Pada gilirannya, setiap spesies memiliki pola yang unik atom orbit tersebut. Itu begitu spectroscopists ilmuwan membedakan boron dari selenium dan arsen dari natrium. Namun, di samping zat murni di alam, ada jumlah tak terbatas kombinasi yang berbeda. mekanika kuantum (For Dummies, pembaca harus ingat) berpendapat bahwa dalam senyawa kompleks orbit berpotongan, menggabungkan, mengubah, membentang, membuat sambungan. Kualitas mereka tergantung pada jenis: kovalen dan ionik lebih kuat, hidrogen, misalnya, lebih lemah.

struktur kristal

Tubuh padat lebih sulit. Untuk model, yang menggunakan teori band padatan, biasanya mengambil kristal yang sempurna. Ini berarti bahwa itu adalah tak berujung dan tanpa dosa - setiap atom di tempat sendiri, total muatan nol. Kernel berfluktuasi di sekitar posisi tertentu kesetimbangan, tetapi elektron dapat mengatakan secara keseluruhan. Tergantung pada bagaimana "mudah" satu atom menyumbangkan partikel negatif yang berdekatan, diperoleh struktur elektronik kaku yang telah ditentukan dari dielektrik atau logam awan. Saya harus menambahkan bahwa ketika mempertimbangkan diasumsikan bahwa semua elektron menempati jumlah minimum energi untuk mereka, yang berarti bahwa tubuh adalah nol Kelvin. Pada suhu yang lebih tinggi, amplitudo osilasi sebagai inti dan elektron kuat dan, karenanya, yang terakhir mampu menempati lebih tinggi tingkat energi. distribusi partikel negatif menjadi lebih "longgar". Dalam beberapa masalah, penting, namun, untuk menggambarkan fenomena ini sebagai suhu tersebut tidak begitu penting.

Prinsip Pauli dan loader

Konsep teori band padatan dapat dicapai hanya baik untuk mengingat apa prinsip Pauli. Jika kita membayangkan bahwa elektron - sekantong gula, kemudian, jika tas ini banyak, loader bersyarat akan mereka memaksakan pada satu sama lain. Setiap "tas" mengambil tempat di ruang angkasa. Untuk elektron, ini berarti bahwa dalam keadaan tertentu hanya satu bisa dalam satu sistem. Ini adalah prinsip eksklusi Pauli. Perhatikan bahwa kita ada dalam pikiran kondisi ideal, yaitu suhu nol Kelvin, dan kristal yang tak terbatas. Seluruh sistem ini dalam kondisi yang sama suhu, stres mekanik, cacat adalah sama di semua bagian dari keseluruhan.

zona kristal elektronik

Dalam kristal, pluralitas satu jenis atom. Satu mol zat terdiri dari unsur-unsur tingkat sepuluh sampai dua puluh sepertiganya. Berapa mol per kilogram, misalnya, garam? Sehingga Anda bahkan dapat mengatakan bahwa bahkan kristal terkecil mengandung terbayangkan banyak atom. Setiap unsur kimia memiliki pola sendiri orbit elektron, dan apa yang harus dilakukan jika mereka berada di satu tubuh beberapa? Setelah semua, sesuai dengan prinsip eksklusi Pauli, mereka harus menempati negara yang berbeda. Teori Band padatan menawarkan cara berikut - orbit elektron menjadi energi yang berbeda. Perbedaan antara mereka begitu kecil bahwa mereka ditekan, bersandar pada satu sama lain sangat erat untuk membentuk zona terus menerus. Dengan demikian, setiap tingkat dari elektron dalam atom diubah menjadi zona dalam kristal massal. Unsur-unsur teori pita zat padat dapat membantu menjelaskan perbedaan antara isolator dan konduktor.

Elektronik dalam zona

Kita telah membahas apa yang terjadi dengan banyak elektron, yang dalam sebuah atom menempati orbit yang sama, pembentukan kristal. Tapi perilaku mereka dalam zona sampai kami meninggalkan gelap. Bagikan ini sudah penting karena menentukan perbedaan antara logam dan non-logam. Seperti yang sudah disebutkan di atas, teori band padatan menunjukkan bahwa tingkat energi di dalam band atom individu orbit yang berbeda berbeda sehingga kecil yang hampir membentuk spektrum kontinu. Dengan demikian, untuk mengatasi potensi penghalang antara elektron tidak sulit - bergerak secara bebas, untuk ini cukup bahkan panas. Namun, setiap band diperbolehkan memiliki batas-batasnya. Selalu ada tingkat energi yang lebih tinggi atau lebih rendah dari yang lain.

Valence dilarang, konduktivitas

Antara zona ini memiliki luas energi, di mana tidak ada tingkat di mana elektron bisa. Dalam grafik, tampak sebagai celah putih. Dan dia disebut celah pita. Untuk mengatasi hambatan ini elektron hanya dapat brengsek. Jadi, ia harus menerima sesuai untuk energi ini. Zona dengan energi terbesar, yang untuk jenis atom diizinkan keberadaan elektron disebut pita valensi, dan mengikutinya - konduktivitas.

logam dielektrik

Pita konduksi teori padatan menyatakan bahwa ada atau tidak adanya elektron pada pita konduksi menunjukkan bagaimana dengan mudah mengalir dalam substansi saat ini. logam sehingga berbeda dan dielektrik. Dalam kasus yang pertama, pita konduksi sudah berisi elektron, karena tumpang tindih dengan valensi. Sebuah partikel berarti negatif bebas bergerak di bawah aksi medan elektromagnetik, tanpa masukan energi tambahan. Oleh karena itu, arus listrik dalam logam muncul begitu mudah, pada kenyataannya - langsung, sesegera lapangan. Dan untuk alasan yang sama, kawat terbuat dari baja, tembaga, aluminium.

Bahan yang valensi dan pita konduksi yang dipisahkan oleh dielektrik-disebut energi. Elektron ini terjebak di tingkat yang lebih rendah diizinkan. band gap memisahkan partikel negatif dari tingkat di mana mereka bisa bergerak bebas. Dan energi yang harus dilaporkan ke elektron untuk mengatasinya, menghancurkan material. Atau mengubah sifat-sifatnya luar pengakuan. Oleh karena itu, kabel bungkus plastik meleleh dan luka bakar, namun tidak menghantarkan listrik.

semikonduktor

Tapi ada kelas menengah bahan yang memiliki celah pita, tapi dalam kondisi tertentu mampu melakukan arus listrik. Mereka disebut - semikonduktor. Seperti dielektrik, mereka memiliki celah energi antara konduksi dan valensi. Namun, kurang dan diatasi dengan beberapa usaha. semikonduktor klasik adalah silikon (dalam bahasa Latin - Silicium). Yang terkenal Silicon Valley terkenal untuk teknologi berbasis pada penggunaan kristal zat ini adalah untuk menciptakan perangkat elektronik.