Ang band teorya ng solids. Quantum Mechanics for Dummies

Ang artikulong ito ay nagpapaliwanag kung ano ang band teorya ng solids. Ipinakita, kung ano ito ay ang dahilan na ito ay isang representasyon ng ang istraktura ng matter. Mga resulta ng metal naiiba mula dielectrics at Semiconductors.

Rosette at Button

Ilang beses sa isang araw kami ay mag-click sa iba't-ibang mga pindutan? Walang kahit na naisip na darating ay hindi maaaring bilangin ito - ay naging pamilyar na pamilyar pagkilos na iyon. At ang tao ay hindi sa tingin na ang lahat ng ito ay posible lamang salamat sa kung gaano kadali ito ay nagdadala ng isang electric kasalukuyang sa metal. I-on ang ilaw, pakuluin kettle, patakbuhin ang washing machine, hindi sa banggitin ang mga aksyon sa mga smartphone, ay nangangahulugan na makumpleto ang circuit at payagan ang mga electron sa conductors upang gumana sa halip na mga tao. Paliwanag ng tulad phenomena bilang ang koryente set. Ang pinaka-halata, marahil, ay ang band teorya ng solids.

Atom at kettles

Ang bawat taong ay nasa high school, ay may isang ideya ng ang istraktura ng atom. Alalahanin sa paligid ng isang positibong sisingilin mabigat na nucleus (binubuo ng protons at neutrons) pihitin baga maliit na mga electron. Bilang ng mga negatibong mga particle eksaktong katumbas ng bilang ng positibo. Upang hindi na kalibre ng mga mambabasa, ipaliwanag sa estilo ng "Quantum Mechanics for Dummies." Ang bawat elektron orbit ay mahigpit na limitado, kung saan maaari itong i-rotate sa palibot ng core sa isang naibigay na sangkap kemikal. Kaugnay nito, ang bawat species ay may natatanging pattern atoms tulad orbit. Ito ay kaya spectroscopists siyentipiko makilala boron mula sa siliniyum at arsenic mula sa sosa. Gayunpaman, bilang karagdagan sa purong sangkap sa likas na katangian, may mga isang walang-katapusang bilang ng mga iba't ibang mga kumbinasyon. Quantum mechanics (Para sa manika, ang mga mambabasa ay dapat tandaan) argues na sa complex compounds orbit magsalubong, pagsamahin, ibahin ang anyo, stretch, ang paglikha ng isang koneksyon. Ang kanilang kalidad ay depende sa uri: covalent at ionic malakas, hydrogen, halimbawa, ay mas mahina.

kristal istraktura

Ang solid katawan ay mas mahirap. Para sa mga modelo, na kung saan ay gumagamit ng mga band teorya ng solids, karaniwang tumagal ng isang perpektong kristal. Ito ay nangangahulugan na ito ay walang katapusang at walang kasalanan - ang bawat atom sa sarili nitong lugar, ang kabuuang bayad ay zero. Kernel ay paiba-iba sa paligid ng isang partikular na posisyon punto ng balanse, ngunit ang mga electron masabi pangkalahatan. Depende sa kung paano "madaling" isang atom donates kanyang katabi negatibong particle, ito ay nakuha rigidly predetermined electronic na istraktura ng dielectrics o metal ulap. dapat kong idagdag na kapag isinasaalang-alang ito ay ipinapalagay na ang lahat ng mga electron sakupin ang minimum na dami ng enerhiya sa kanila, na nangangahulugan na ang katawan ay sa zero Kelvin. Sa mas mataas na temperatura, ang amplitude ng imbayog bilang ang nuclei at ang electron Matindi at, samakatuwid, ang huli ay magagawang sakupin ang mas mataas na mga antas ng enerhiya. Negatibong particle pamamahagi ay nagiging mas "maluwag". Sa ilang mga problema, ito ay mahalaga, gayunpaman, upang ilarawan ang phenomenon dahil dito temperatura ay hindi kaya mahalaga.

Pauli prinsipyo at ang mga loader

Ang konsepto ng banda teorya ng solids ay maaaring attained tanging mabuti upang tandaan kung ano ang Pauli batayan. Kung akala natin na ang mga electron - isang bag ng asukal, at pagkatapos, kung ang mga bag ng isang pulutong, conditional loader ay magpataw sila sa isa't isa. Ang bawat "bag" ay tumatagal ng lugar nito sa espasyo. Para sa mga electron, ito ay nangangahulugan na sa isang naibigay na estado isa lamang ay maaaring maging sa isang sistema. Ito ang Pauli exclusion prinsipyo. Tandaan na kami ay may sa isip ang mga ideal na mga kondisyon, ibig sabihin, ang temperatura ng zero Kelvin, at ang mga walang katapusan na kristal. Ang buong sistema ay sa parehong mga kondisyon ng temperatura, mechanical stress, depekto ay pareho sa lahat ng bahagi ng isang buo.

Electronic crystals zone

Sa kristal, isang mayorya ng isang uri ng atomo. Isa mole ng mga sangkap Binubuo sampung sa dalawampu't-third degree elemento. Gaano karaming mga moles por kilo, halimbawa, asin? Kaya maaari mong kahit na sabihin na kahit na ang pinakamaliit na kristal ay naglalaman ng unimaginably maraming atoms. Ang bawat chemical element ay may sariling pattern ng mga elektron orbit, at kung ano ang gagawin kung ang mga ito sa isang katawan ng ilang? Matapos ang lahat, ayon sa Pauli exclusion prinsipyo, dapat silang sakupin ang iba't ibang mga estado. Band teorya ng solids ay nag-aalok ang mga sumusunod na paraan - ang elektron orbit naging iba't ibang mga energies. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga ito ay kaya maliit na sila ay pipi, nakahilig sa isa't isa masyadong mahigpit upang bumuo ng isang tuloy-tuloy na zone. Sa gayon, ang bawat antas ng mga elektron sa atom ay convert sa isang zone sa bulk crystal. Mga elemento ng band teorya ng solids ay maaaring makatulong sa ipaliwanag ang mga pagkakaiba sa pagitan ng insulator at conductor.

Electronic loob ng zone

Natalakay na natin kung ano ang nangyayari sa isang pulutong ng mga electron, na kung saan sa isang atom maghawak ng parehong orbit, ang pagbuo ng mga kristal. Ngunit ang kanilang pag-uugali sa loob ng zone hanggang umalis kami madilim. Ibahagi ang nai mahalaga dahil ito ay tumutukoy sa pagkakaiba sa pagitan ng metal at di-metal. Tulad ng nabanggit sa itaas, ang banda teorya ng solids ay nagpapakita na ang mga antas ng enerhiya sa loob ng band ng mga indibidwal atoms iba't ibang mga orbit ay naiiba na kaya kaunti na halos bumubuo ng isang tuloy-tuloy na spectrum. Kaya, upang pagtagumpayan ang mga potensyal na hadlang sa pagitan ng mga electron ay hindi mahirap - ito gumagalaw ang mga ito malaya, para ito ay sapat na kahit init. Gayunman, ang bawat isa sa pinapayagang band ay may limitasyon. May ay palaging isang enerhiya na antas na mas mataas o mas mababa kaysa sa iba.

Valence ipinagbabawal, kondaktibiti

Sa pagitan ng mga zone ay may isang lugar ng enerhiya, kung saan walang antas kung saan ang isang elektron ay maaaring maging. Sa graph, ito ay lilitaw bilang isang puting puwang. At kaniyang tinawagan ang band puwang. Upang pagtagumpayan ito hadlang electron ay maaari lamang jerk. Kaya, kailangan niyang tumanggap naaangkop para sa enerhiya na ito. Ang zone may pinakamalakas na kasiglahan, na para sa ganitong uri ng mga atom pinahihintulutan pag-iral ng mga electron ay tinatawag na valence band, at mga sumusunod na ito - kondaktibiti.

metal dielectric

Pagpapadaloy banda teorya ng solids ay nagpapanatili na ang pagkakaroon o kawalan ng mga electron sa pagpapadaloy band ay nagpapahiwatig kung paano madaling dumadaloy sa kasalukuyang substansiya. Kaya iba't ibang mga metal at dielectrics. Sa dating kaso, ang pagpapadaloy band ay naglalaman na electron, dahil pumapatong sa valence. Ang isang paraan negatibong particle ay libre upang ilipat sa ilalim ng pagkilos ng electromagnetic field, nang walang anumang karagdagang enerhiya input. Samakatuwid, ang electric kasalukuyang sa metal ay lilitaw sa gayon madali, sa katunayan - agad, sa lalong madaling field. At para sa parehong dahilan, ang wire ay gawa sa bakal, tanso, aluminyo.

Materials kung saan ang valence at pagpapadaloy banda na pinaghihiwalay ng isang enerhiya tinatawag dielectrics. Ang mga electron ay nakulong sa mas mababang antas pinahihintulutan. Band gap naghihiwalay ang mga negatibong mga particle mula sa antas ng kung saan sila ay maaaring gumalaw sa paligid malayang. At ang enerhiya na dapat iulat sa mga electron upang pagtagumpayan ito, sirain ang materyal. O baguhin ang pag-aari nito na lampas pagkilala. Samakatuwid, plastic wrap wire natutunaw at Burns, ngunit ay hindi nagsasagawa ng kuryente.

Semi-konduktor

Ngunit may ay isang intermediate klase ng mga materyales na may isang bandgap, ngunit sa ilalim ng ilang mga kundisyon na may kakayahang pagsasagawa ng mga de-koryenteng kasalukuyang. Ang mga ito ay tinatawag na - Semiconductors. Tulad ng dielectric, mayroon silang isang enerhiya na agwat sa pagitan ng mga pagpapadaloy at valence. Gayunman, ito ay mas mababa at pagtagumpayan na may ilang mga pagsisikap. Classical semiconductor ay silikon (sa Latin - Silicium). Ang sikat na Silicon Valley ay sikat sa mga teknolohiya na batay sa ang paggamit ng mga crystals ng sangkap na ito ay upang lumikha ng mga electronic device.