double arrow

Расщепление уровней изолированного атома при образовании кристалла

Свойства атомов определяются их электронным состоянием (электронной конфигурацией), аналогично и свойства твердых тел определяются электронным состоянием совокупности N атомов, образующих твердое тело.

Ограничимся рассмотрением состояния кристалла, состоящего из совокупности N одинаковых невзаимодействующих атомов, находящихся в одинаковых внешних условиях. Системы их энергетических уровней (энергетические спектры) одинаковы. При сближении этих атомов (образовании кристалла) система их уровней изменяется, т.к. каждый атом находится в силовом поле (N-1) других атомов кристалла. Изменяется энергия электронов, а следовательно, и уровни атомов: каждый уровень ранее изолированного атома расщепляется на N близких по значению энергий различных уровней, на каждом из которых может находиться не более двух электронов. (Если уровни энергии изолированных атомов являются вырожденными, из одного уровня при расщеплении "возникает" не N, а более, например, 2N уровней). Например, при отсутствии вырождения уровень первый − уровень энергии первого атома Е1 при взаимодействии с (N-1) других атомов кристалла смещается на величину ΔЕ11. Этот же уровень i- го атома смещается на ΔЕ1i. То есть, энергия первого уровня i- го атома стала

Е1i = Е1 + ΔЕ1i

У других атомов уровень энергии Е1, бывший одинаковым для всех атомов, соответственно изменился по-разному, т.е., получаем N различных уровней

Е11 = Е1 + ΔЕ11

Е12 = Е1 + Δ.Е12

Е13 = Е1 + ΔЕ13

.............

Е1i = Е1 + ΔЕ1i

.............

Е1N = Е1 + ΔЕ1N

Совокупность уровней, образующихся при расщеплении одного энергетического уровня изолированного атома в поле (N-1) взаимодействующих с ним атомов образуют зону (или полосу) разрешенных энергий.

Каждому уровню каждого ранее изолированного атома соответствует такая энергетическая зона. В рассматриваемом нами случае она состоит из N различных уровней. Зоны разрешенных энергий отделены друг от друга запрещенными зонами (полосами) (рис.2).

Рис.2а. Рис.2б.

Итак, в твердых телах - кристаллах, энергетический спектр представляет собой совокупность энергетических зон разрешенных энергий, разделенных зонами запрещенных энергий - энергетическими "щелями".

Электроны распределяются только по уровням разрешенных энергий, причем при абсолютном нуле температур (Т = 0 К) заполняются низшие невозбужденные уровни (основные состояния атомов).

Химические свойства элементов и ряд физических свойств веществ объясняются поведением внешних валентных электронов атомов. Зону разрешенных энергий, образованную из уровня изолированного атома, на котором находятся валентные электроны атома в основном состоянии (при Т= 0 К) называют валентной зоной.

При абсолютном нуле валентные электроны заполняют уровни валентной зоны, начиная с самых нижних уровней. Более высокие энергетические уровни и зоны (возбужденные) остаются свободными (рис.3).

Перемещение электронов в полностью заполненной валентной зоне не приводит к возникновению электрического тока, такие перемещения совершаются очень редко и не связаны с энергетическими изменениями в системе.

Однако, ток может возникнуть, если валентная зона Рис.3 либо неполностью заполнена электронами (рис.4а), либо перекрывается свободной зоной возбужденных состояний (рис.4б), и вблизи заполненных электронами уровней расположены свободные уровни. В этих случаях валентная зона (неполностью заполненная или перекрытая свободной зоной возбужденных состояний) называется зоной проводимости.

Рис.4.

Но в отсутствии внешнего электрического поля движение электронов в зоне проводимости является хаотическим и электрический ток не возникает.

При наличии внешнего электрического поля электроны этой зоны приобретают одинаковую (по направлению) составляющую скорости, возникает направленное движение электронов - электрический ток.

Величина и характер (механизм) электропроводности твердых тел определяется не общим числом электронов, а взаимным расположением зон разрешенных энергий - их перекрытием, шириной энергетической щели, отделяющей валентную зону от свободной зоны разрешенных энергий, следующей за ней, и заполнением валентной зоны при Т=0 К.

Этими факторами условно определяется принадлежность твердого тела к одной из трех групп: металлы, диэлектрики и полупроводники.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: