Acasă | Despre noi | feedback-ul
După cum sa menționat deja, toate proprietățile substanțelor sunt determinate de spectrul energetic al electronilor atomilor unei substanțe date.
Prin termenul de spectru de energie se înțelege o scară a valorilor cantitative ale energiei electronilor atomilor unei substanțe date.
Starea fizică a electronilor într-un atom este determinată de patru numere cuantice: n. L, m, s. Conform modelului planetar al atomului, electronii se rotesc în jurul nucleului de-a lungul anumitor orbite - cochilii de electroni, denumiți în mod obișnuit K, L, M, N etc. în funcție de valoarea numărului principal cuantic n = 1, 2, 3. Plicul K cel mai apropiat de nucleu corespunde valorii n = 1. Următoarea coajă L corespunde n = 2, etc. La rândul lor, învelișurile constau din subshell-uri, denotate de s, p, d, f, corespunzătoare valorilor numărului quantum orbital l, care ia valori întregi, adică l = 0, 1, 2. (n-1).
În consecință, din punct de vedere energetic, electronii unei cochilii date au valori energetice apropiate, dar inegale.
În atomii izolați, conform primului postulat al lui Bohr, electronii se rotesc în orbite strict definite și au valori discrete ale energiei E 1, E 2. E n. Acestea se numesc niveluri de energie (Figura 1.3).
Figura 1.3 - Cochilii și spectrul energetic al electronilor unui atom izolat
Pentru electronii de valență cei mai îndepărtați de nucleu, există orbite și, în consecință, niveluri de energie (E4). la care electronii care trec într-o stare excitată pot trece prin absorbția energiei externe
Nivelurile de energie sunt separate una de alta prin intervale suficient de mari de energie # 8710; E1 = E2-E1 și așa mai departe. Electronii unui atom dat nu pot avea valori de energie în interiorul intervalului. Conform celui de-al doilea postulat al lui N. Bohr, aceștia se pot mișca dintr-un nivel (orbită) în altul printr-un salt, schimbând energia prin lărgimea intervalului de energie dintre nivele.
Astfel, spectrul energetic al electronilor unui atom izolat are un caracter discret. Este un set de niveluri de energie care este destul de specific pentru o anumită substanță.
(Calculele arată că acuratețea valorii numerice a energiilor valență de electroni de ordinul ± 10-7 eV. Aceasta este o precizie foarte mare, ceea ce face posibilă confirmarea caracterului discret al spectrului de energie de electroni a atomilor izolați.)
Pentru a înțelege cum se formează spectrul energetic al electronilor într-un solid, să luăm în considerare un model simplificat pentru formarea unui corp solid din atomii izolați ai materiei (Figura 1.4).
n1. n2, ... sunt numerele principale cuantice ale stărilor energetice (nivele) ale electronilor unui atom izolat; a este distanța dintre atomii din substanță sau constanta laturii cristalului; d1. d2, ... - distanțe, la apropierea pe care începe suprapunerea orbitelor electronilor atomilor vecini; # 8710; gratuit, adică nu este umplut cu electroni, zona de energie în absența excitației (T = 0 K); # 8710; EZ - zona valorilor energiei interzise pentru electronii de valență ai unei substanțe date; # 8710, EB - zona de energie a electronilor de valență
Figura 1.4 - Apariția benzilor de energie pentru electroni în formarea materiei din atomi izolați
Atunci când atomii converg la distanțele care corespund formării unui corp solid, forțele de cuplare apar între atomi, ducând la suprapunerea orbitelor (funcțiile de undă) ale electronilor. Drept urmare, starea energiei electronilor de atomi izolați se schimbă și în loc de nivele discrete se formează benzi energetice, constând din nivele de energie foarte apropiate (de ordinul 10-22 eV). La o distanță d 1, nivelele E 4. permise pentru electroni în stare excitat începe să se împartă. Apoi, pe măsură ce se apropie distanța (d2, d3), nivelele de energie ale electronilor de valență (E 3) și electronii se împart la nivele inferioare.
La o distanță a, se stabilește o stare stabilă de atomi într-un solid. În această stare de atomi, spectrul energetic al electronilor este o alternanță între benzile de energie permise și interzise.
Astfel, în solid, spectrul energetic al electronilor are un caracter de bandă. în contrast cu spectrul de energie discret al electronilor atomilor izolați.
Forma spectrului energetic al electronilor a fost justificată de teoria cuantică a unui solid. Conform rezultatelor obținute, se numește de obicei teoria benzii unui solid.
Calculele arată că lărgimea benzii permise pentru electronii excitați este de ordinul a 1 eV. Prin urmare, nivelul discret (E 4). determinată cu o precizie de ± 10-7 eV, a devenit o zonă destul de larg permisă.
În absența stimulării externe. în special la T = 0 K. Nu există electroni în această bandă. Prin urmare, se numește de obicei o zonă liberă. În prezența excitațiilor externe, este parțial umplut cu electroni. Ele sunt slab legate de atomii substanței, sunt liberi și când se aplică câmpul electric extern, curentul curge, adică conductivitatea electrică a materiei. Din acest motiv, zona liberă este denumită adesea banda de conducere.
(Zonele energetice permise cuprind un număr de nivele de energie la distanțe apropiate, numărul de atomi pe unitatea de volum a substanței pe baza numărului de electroni pe orbita, iar acest lucru este de ordinul a (1022 1023) cm 3. Cantitatea benzilor de energie permise egal sau mai mic decât numărul de nivele energetice discrete (orbite) de electroni într-un atom izolat.)
Prin forma spectrului energetic al unei substanțe, proprietățile electrofizice observate experimental pot fi estimate sau prezise. Cu toate acestea, pentru aceste scopuri este suficient să se ia în considerare doar o parte a spectrului de energie, care este denumită de obicei diagrama energetică. Acesta include o bandă de electroni de valență, o bandă interzisă, dacă există, și o zonă liberă.
Această abordare este legitimă și este legat de faptul că electronii sunt dispuse pe orbite interioare mai apropiate de nucleul atomului, pe de o parte, puternic legat de nucleu, iar ceilalți - electronii învelișuri exterioare sunt protejate de interacțiunea cu nucleele și electronii atomilor învecinate.
Prin urmare, electronii adâncime formează fie benzi foarte înguste (nivelul n2), fie ele nu se formează deloc (nivelul n1). Și, deși nivelurile și zonele corespunzătoare acestor electroni fac parte din spectrul global de energie, de fapt ele nu afectează proprietățile macroscopice ale substanțelor. Prin urmare, nivelele profunde și zonele nu sunt luate în considerare și nu sunt prezentate pe diagrama energetică.
Valerii electroni interacționează cel mai puternic unul cu celălalt. Când se formează substanța, orbita (nivelul n3) se suprapune semnificativ, incluzând orbitele (nivelul n4), care sunt permise pentru electroni într-o stare excitat.
pentru că proprietățile substanțelor sunt determinate de valență, zona de energie a electronilor de valență și zona liberă, la care electronii de valență pot merge în cazul excitației externe, prezintă un interes deosebit.
În cazul în care unitatea de volum de substanță (cristal) monovalent conține atomi de N, banda de valență este format din nivelurile de energie N strâns distanțate, care pot fi, în conformitate cu principiul de excluziune, electronii 2N. Astfel, pentru un material de la atomi monovalenți, banda de valență este pe jumătate plină.
CONCEPTUL DIAGRAMULUI ZONEI.
Benzile libere și de valență se pot suprapune (Figura 1.5, a), care este tipic pentru metale. Când zonele nu se suprapun între ele o zonă de energii interzise pentru electroni, numit un decalaj de bandă, magnitudinea (# 8710, E s), care depinde substanțial proprietățile materialului (figura 1.5, b, c).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: