Az elektronok energiaspektruma és az anyagok osztályba sorolása
Kezdőlap | Rólunk | visszacsatolás
Amint már említettük, az anyagok összes tulajdonságát az adott atom atomjai elektronainak energiaspektruma határozza meg.
Az "energiaspektrum" kifejezés alatt egy adott anyag atomjainak elektronenergiájának mennyiségi értékeinek skáláját értjük.
Az atomok fizikai állapotát négy kvantumszám határozza meg: n. L, m, s. Az atom bolygómodellje szerint az elektronok elfordulnak a mag körül, bizonyos pályák mentén - az elektronhéjak, amelyeket általában K, L, M, N stb. az n = 1, 2, 3 fő kvantumszám értékétől függően. A maghoz legközelebb eső K bura megfelel az n = 1 értéknek. A következő L-shell az n = 2, stb. Ezzel szemben a héjok olyan s, p, d, f jelű alsónákból állnak, amelyek megfelelnek az 1 orbitális kvantumszám értékének, amely egész számokat vesz fel, azaz l = 0, 1, 2. (n-1).
Következésképpen energetikai szempontból az adott héj elektronjai szoros, de egyenlőtlen energiaértékeket mutatnak.
Az izolált atomok, szerint az első Bohr posztulátum, az elektronok mozognak jól meghatározott pályán, és diszkrét energia értékei E 1, E 2 E n. Ezeket energiaszinteknek hívják (1.3. Ábra).
1.3. Ábra - Az izolált atom elektronjainak shelljei és energiaspektruma
A magtól legtávolabbi fényelektronoknál vannak pályák, és ennek megfelelően energiaszintek (E 4). amelyhez a gerjesztett állapotban áthaladó elektronok átjuthatnak a külső energia felszívódásán
Az energiaszinteket elegendően nagy energiaintervallumokkal választják el egymástól # 8710, E1 = E2-E1, és így tovább. Egy adott atom elektronjai nem rendelkezhetnek energiaértékekkel az intervallumon belül. Az N. Bohr második posztulátuma szerint egy ugrásból egy szintről (pályára) át tudnak mozogni, megváltoztatva az energiát a szintek közötti energiaintervallum szélességével.
Így az izolált atom elektronainak energiaspektruma diszkrét természetű. Ez egy olyan energiaszint-készlet, amely egy adott anyag számára nagyon specifikus.
(A számítások azt mutatják, hogy a pontossága a számérték a vegyérték elektron energia nagyságrendű ± 10-7 eV. Ez egy nagyon nagy pontosságú, amely lehetővé teszi, hogy erősítse meg a diszkrét természete az elektron energia-spektrum az izolált atomok.)
Annak érdekében, hogy megértsük, hogyan alakul ki az elektronok energiaspektruma egy szilárd anyagban, fontoljuk meg egy egyszerűsített modellt az anyag izolált atomjairól egy szilárd test létrehozására (1.4. Ábra).
n1. n2, ... az elszigetelt atom elektronainak energiaállapota (szintjei) fő kvantumszámai; a az atomok közötti távolság az anyagban vagy a kristályrács állandója; d1. d2, ... - távolságok, amikor közelednek, amikor kezdődik a szomszédos atomok elektronainak pályáinak átfedése; # 8710, EU-mentes, azaz. nem töltve elektronokkal, energia zóna gerjesztés nélkül (T = 0 K); # 8710; EZ - a tiltott energiaértékek EZ-zónája egy adott anyag valence-elektronjaihoz; # 8710, EB - energiaelektronikus energia zóna
1.4. Ábra: Az elektronok energiaszámainak megjelenése az izolált atomokból származó anyagok képződésében
Ha az atomok megközelítés megfelelő távolságban a kialakulását szilárd, kötés erők lépnek fel az atomok közötti vezető átfedő kering (hullám funkciók) az elektronok. Ennek eredményeképpen, az energia állapotban az elektronok az izolált atomok és ehelyett változhat diszkrét energiaszinteket kialakítva területe tagjai nagyon szorosan elhelyezett (körülbelül 10-22 eV) energiaszintet. A d 1 távolságban az E 4 szintek lehetővé teszik, hogy az elektronok a gerjesztett állapotban elkezdjenek felszakadni. Aztán, ahogy a távolság közeledik (d2, d3), a valence elektronok (E3) és az elektronok energiaszintje alacsonyabb szinten szétválik.
Távolságon a stabil szilárd atomállapotot hoz létre. Ebben az atomállapotban az elektronok energiaspektruma a megengedett és tiltott energiasávok váltakozása.
Így a szilárd, az energiaspektrum az elektronok sáv karakter. ellentétben az elszigetelt atomok elektronainak diszkrét energia spektrumával.
Az elektronok energiaspektrumának formáját egy szilárd anyag kvantumelmélete igazolta. A kapott eredmények alapján általában egy szilárd anyag sávelméletének nevezik.
A számítások azt mutatják, hogy a gerjesztett elektronok megengedett sávjának szélessége 1 eV. Ezért a diszkrét szint (E 4). ± 10-7 eV pontossággal meghatározott pontossága meglehetősen széles megengedett zónává változott.
Külső stimuláció hiányában. különösen T = 0 K. Ebben a sávban nincsenek elektronok. Ezért általában szabad zónának nevezik. Külső gerjesztések jelenlétében részlegesen feltöltött elektronokkal. Gyengén kötődnek az anyag atomjához, szabadok, és ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, akkor az áram folyik, az anyag elektromos vezetőképessége. Emiatt a szabad zónát gyakran vezetési sávnak nevezik.
(A megengedett energia zónák tartalmaznak több, szorosan elhelyezett energiaszintek, atomok száma egységnyi térfogatban az anyag alapján az elektronok száma a pályán, és ez a sorrendben (1022 1023) cm-3. A megengedett energia sávok egyenlő vagy kisebb, mint a több diszkrét energiaszinteket (orbiták) egy elszigetelt atomon.)
Egy anyag energiaspektrumának formájában kísérletileg megfigyelt elektrofizikai tulajdonságait becsülhetjük vagy becsülhetjük. E célból azonban elegendő csak az energiaspektrumnak csak egy részét tekinteni, amelyet rendszerint energia diagramnak neveznek. Ez magában foglalja a valence elektronok zenekarát, tiltott zenekar, ha van ilyen, és egy szabad zóna.
Ez a megközelítés szabályszerű, és kapcsolódik az a tény, hogy az elektronok vannak elhelyezve a belső kering legközelebb a sejtmagba az atom, egyrészt erősen kötődik a sejtmagba, és a másik - a külső héj elektronok védve interakció a sejtmagok és elektronok a szomszédos atomok.
Tehát a mélyen fekvő elektronok nagyon keskeny sávokat (n2 szintet) alkotnak, vagy egyáltalán nem alakulnak ki (n1 szint). És bár ezeknek az elektronoknak megfelelő szintek és zónák az egész energiaspektrum részét képezik, valójában nem befolyásolják az anyagok makroszkopikus tulajdonságait. Ezért a mélységi szinteket és a zónákat nem veszik figyelembe, és nem ábrázolják az energia diagramon.
A valence-elektronok egymás között erőteljesen érintkeznek egymással. Amikor az anyag képződik, pályájuk (n3 szint) jelentősen átfedi egymást, beleértve az orbitákat (n4 szint), amelyek gerjesztett állapotban elektronok számára megengedettek.
mert tulajdonságait meghatározott anyagoktól vegyértéke a legnagyobb érdeklődés az energia sáv vegyérték elektronok és a szabad zónát, ahol a vegyérték elektronok mozoghat esetén külső gerjesztés.
Ha az egység térfogata anyag (kristály) egyértékű tartalmaz N atomot, vegyértékelektronját áll N szorosan elhelyezett energiaszintet, amely lehet, szerint a Pauli-elv, 2 n elektronokat. Így egyértékű atomokból származó anyag esetén a valens sáv félig telített.
A ZÓNAI DIAGRAM KONCEPCIÓJA.
Szabad és vegyértékelektronját átlapolhatók (1.5 ábra, a), amely jellemző a fémek. Amikor a zónák nem szuperponálódik közöttük egy zóna tiltott energiákat elektronok, úgynevezett sávú, a nagysága (# 8710, E s), amelyek lényegében függ az anyag tulajdonságait (1.5 ábra, b, c).