Lý thuyết ban nhạc của các chất rắn. Cơ học lượng tử cho Dummies

Bài viết này giải thích những gì lý thuyết ban nhạc của các chất rắn. Cho thấy, những gì nó là lý do nó là một đại diện của các cấu trúc của vật chất. Kết quả của các kim loại khác nhau từ chất điện môi và bán dẫn.

Rosette và Button

Đã bao nhiêu lần một ngày chúng ta sẽ click vào các nút khác nhau? Không ai thậm chí còn nghĩ đến không thể đếm nó - đã trở nên quá quen thuộc hành động đó. Và người đàn ông không nghĩ rằng tất cả điều này chỉ có thể nhờ vào cách dễ dàng mà nó đang mang một dòng điện trong kim loại. Bật đèn, đun sôi ấm đun nước, chạy máy giặt, chưa kể đến các hành động trên điện thoại thông minh, có nghĩa là hoàn thành mạch và cho phép các electron trong dây dẫn để làm việc thay người. Giải thích về hiện tượng như bộ dẫn. Rõ ràng nhất, có lẽ, là lý thuyết ban nhạc của các chất rắn.

Atom và ấm đun nước

Tất cả những người còn học trung học, có một ý tưởng về cấu trúc của nguyên tử. Nhớ lại xung quanh một hạt nhân nặng tích điện dương (bao gồm các proton và neutron) xoay phổi electron chút. Số hạt tiêu cực chính xác bằng số lượng tích cực. Để không cho độc giả khoan, giải thích trong phong cách của "Cơ học lượng tử cho Dummies." Mỗi quỹ đạo electron bị hạn chế nghiêm ngặt, mà nó có thể xoay quanh lõi trong một nguyên tố hóa học nhất định. Đổi lại, mỗi loài có một mô hình độc đáo nguyên tử quỹ đạo như vậy. Nó đã quá spectroscopists các nhà khoa học phân biệt boron từ selen và asen từ natri. Tuy nhiên, ngoài các chất tinh khiết trong tự nhiên, có một số lượng vô hạn các kết hợp khác nhau. Cơ học lượng tử (For Dummies, người đọc nên nhớ) lập luận rằng trong các hợp chất phức tạp quỹ đạo giao nhau, sáp nhập, chuyển đổi, kéo dài, tạo ra một kết nối. chất lượng của họ phụ thuộc vào loại: kết cộng hóa trị và ion mạnh mẽ hơn, hydro, ví dụ, là yếu.

cấu trúc tinh thể

Cơ thể rắn là khó khăn hơn. Đối với các mô hình, trong đó sử dụng các lý thuyết ban nhạc của các chất rắn, thường mất một tinh thể hoàn hảo. Điều này có nghĩa rằng nó là vô tận và không có tội lỗi - mỗi nguyên tử vào vị trí của mình, tổng chi phí là zero. Kernel dao động xung quanh một vị trí cụ thể của trạng thái cân bằng, nhưng các electron có thể nói chung. Tùy thuộc vào cách "dễ dàng" một nguyên tử tặng hạt tiêu cực liền kề của nó, nó thu được cấu trúc điện tử cứng nhắc định trước của chất điện môi hoặc kim loại đám mây. Tôi nên thêm rằng khi xem xét nó được giả định rằng tất cả các electron chiếm số tiền tối thiểu của năng lượng đối với họ, có nghĩa là cơ thể là zero Kelvin. Ở nhiệt độ cao, biên độ dao động là hạt nhân và các electron mạnh mẽ và, do đó, sau này có thể chiếm cao hơn mức năng lượng. phân phối hạt tiêu cực ngày càng trở nên "lỏng lẻo". Trong một số vấn đề, điều quan trọng là, tuy nhiên, để mô tả hiện tượng này như nhiệt độ như vậy không phải là quá quan trọng.

nguyên tắc Pauli và bộ nạp

Khái niệm về lý thuyết ban nhạc của các chất rắn có thể đạt được chỉ tốt để nhớ những gì nguyên tắc Pauli. Nếu chúng ta tưởng tượng rằng các electron - một túi đường, sau đó, nếu những chiếc túi rất nhiều, bộ nạp có điều kiện sẽ áp đặt họ vào nhau. Mỗi "túi" mất vị trí của nó trong không gian. Đối với các electron, điều này có nghĩa là trong tình trạng đưa ra chỉ một người có thể có trong một hệ thống. Đây là nguyên tắc loại trừ Pauli. Lưu ý rằng chúng tôi có trong tâm trí các điều kiện lý tưởng, tức là nhiệt độ của không Kelvin, và các tinh thể vô hạn. Toàn bộ hệ thống là trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp lực cơ học, khuyết tật đều giống nhau trong tất cả các bộ phận của một tổng thể.

Vùng tinh thể điện tử

Trong pha lê, một đa số của một loại nguyên tử. Một mol chất bao gồm một yếu tố mức độ mười đến hai mươi phần ba. Có bao nhiêu nốt ruồi mỗi kg, ví dụ, muối? Vì vậy, bạn thậm chí có thể nói rằng ngay cả những tinh thể nhỏ nhất chứa mức tưởng tượng nhiều nguyên tử. Mỗi nguyên tố hóa học có mô hình riêng của quỹ đạo electron, và phải làm gì nếu họ đang ở trong một thân thể một vài? Sau khi tất cả, theo nguyên tắc loại trừ Pauli, họ phải chiếm các quốc gia khác nhau. lý thuyết ban nhạc của các chất rắn cung cấp theo cách sau - quỹ đạo electron trở thành nguồn năng lượng khác nhau. Sự khác biệt giữa chúng là quá nhỏ mà họ đang ép, dựa vào nhau rất chặt chẽ để tạo thành một khu vực liên tục. Như vậy, mỗi cấp độ của các electron trong nguyên tử được chuyển thành một khu vực trong tinh thể với số lượng lớn. Các yếu tố của lý thuyết ban nhạc của các chất rắn có thể giúp giải thích sự khác biệt giữa cách điện và dây dẫn.

Điện tử trong vùng

Chúng tôi đã thảo luận những gì đang xảy ra với rất nhiều electron, mà trong một nguyên tử chiếm quỹ đạo giống nhau, sự hình thành của các tinh thể. Nhưng hành vi của họ trong khu vực cho đến khi chúng tôi rời không sáng sủa. Chia sẻ trang này đã rất quan trọng vì nó quyết định sự khác biệt giữa kim loại và phi kim loại. Như đã đề cập ở trên, lý thuyết ban nhạc của các chất rắn cho thấy mức năng lượng bên trong chiếc nhẫn của từng nguyên tử quỹ đạo khác nhau khác nhau rất ít mà gần như tạo thành một quang phổ liên tục. Vì vậy, để khắc phục những rào cản tiềm năng giữa electron không phải là khó khăn - nó di chuyển chúng một cách tự do, cho điều này là đủ thậm chí nhiệt. Tuy nhiên, mỗi người trong số các ban nhạc cho phép có giới hạn của nó. Luôn luôn có một mức năng lượng đó là cao hơn hoặc thấp hơn so với những người khác.

Valence cấm, dẫn

Giữa các khu vực này có diện tích năng lượng, nơi không có mức độ mà tại đó một electron có thể. Trong đồ thị, nó xuất hiện như một khoảng trống trắng. Và cô ấy gọi là vùng cấm. Để khắc phục điều này electron rào cản chỉ có thể giật. Vì vậy, ông phải nhận phù hợp với năng lượng này. Các khu vực có năng lượng lớn nhất, mà cho loại hình này của các nguyên tử được phép tồn tại của các electron được gọi là vùng hóa trị, và sau đó - dẫn.

kim loại điện môi

Dẫn lý thuyết ban nhạc của các chất rắn cho rằng sự hiện diện hay vắng mặt của các electron trong vùng dẫn chỉ chảy cách dễ dàng trong chất hiện nay. kim loại do đó khác nhau và chất điện môi. Trong trường hợp thứ nhất, vùng dẫn đã có chứa electron, vì trùng với hóa trị. Một phương tiện tiêu cực hạt có thể tự do di chuyển dưới tác động của trường điện từ, mà không cần bất kỳ đầu vào năng lượng bổ sung. Do đó, dòng điện trong kim loại xuất hiện dễ dàng như vậy, trên thực tế - ngay lập tức, càng sớm càng lĩnh vực này. Và đối với những lý do tương tự, các dây được làm bằng thép, đồng, nhôm.

Vật liệu mà các ban nhạc hóa trị và dẫn ngăn cách bởi một chất điện môi năng lượng gọi. Những electron đang bị mắc kẹt ở mức thấp hơn cho phép. khe hở năng tách các hạt tiêu cực so với mức mà họ có thể di chuyển xung quanh một cách tự do. Và năng lượng đó phải được báo cáo cho các electron để vượt qua nó, phá hủy vật liệu. Hoặc thay đổi tính chất của nó không còn nhận ra. Do đó, dây điện bọc nhựa nóng chảy và bỏng, nhưng không dẫn điện.

bán dẫn

Nhưng có một lớp trung gian của vật liệu mà có một bandgap, nhưng trong điều kiện nhất định có khả năng tiến hành các dòng điện. Họ được gọi là - chất bán dẫn. Giống như các điện môi, họ có một khoảng cách năng lượng giữa dẫn và hóa trị. Tuy nhiên, nó là ít hơn và vượt qua với một số nỗ lực. bán dẫn cổ điển là silic (trong tiếng Latin - Hóa chất Silic). Nổi tiếng ở Thung lũng Silicon nổi tiếng với các công nghệ dựa trên việc sử dụng các tinh thể của chất này là để tạo ra các thiết bị điện tử.