| Главная » Файлы » Рефераты » Рефераты |
Типи твердих тіл з позиції зонної теорії
| [ Скачать с сервера (251.1 Kb) ] | 23.05.2017, 00:36 |
| Зараз все з позиції основних положень зонної теорії твердих тіл ми намагаємося пояснити, чому та як речовини поділяються на напівпровідники, діелектрики та метали. Класифікуємо тверді тіла на основі енергетичного спектра їх одноелектронних станів. Але діапазони зміни цього параметра для різних речовин часто перекривались. Кожна дозволена енергетична зона містить скінченну кількість рівнів енергії – N. Згідно з принципом Паулі на кожному рівні може знаходитися по два електрони, тобто всього електронів 2N. За принципом мінімальної енергії при обмеженому числі електронів у кристалі спочатку заповненими стануть лише найбільш нижчі енергетичні зони. Інші будуть порожніми. При цьому існує кілька варіантів заповнення зон електронами. 1) Припустимо, що остання зона, в якій є електрони, заповнена частково. Оскільки ці електрони валентні, вона називається валентною. Під дією зовнішнього електричного поля крайні електрони поблизу границі зони почнуть прискорюватися та переходити на інші вільні більш високі рівні енергії цієї ж зони. У кристалі потече струм. Тобто кристали з частково заповненою валентною зоною являються металами, які проводять електричний струм. Так у Натрію та інших лужних металів валентна зона, утворена з 3S станів, заповнена наполовину, так як на 2N стані знаходиться N електронів. Na: 1S2 2S2 2P6 3S1 2) Тепер припустимо, що валентна зона заповнена електронами повністю, та що вона перекривається з наступною дозволеною зоною. Такий кристал також являється металом та у нього при накладанні внутрішнього поля електрони почнуть переходити на інші рівні вже нової вільної зони та потече струм. Типові представники – ІІ група таблиці Менделеєва. У Магнію повністю заповнена валентна 3S зона, перекривається з наступною дозволеною зоною 3P рівнів. Mg 1S2 2S2 2P6 3S2 3) Тепер нехай наша повністю заповнена електронами валентна зона відділяється від наступної за нею вільної зони широкою забороненою зоною. В кристалі з такою зонною структурою у внутрішньому електричному полі електрони не можуть змінити свою енергію. Ці речовини – діелектрики. Наприклад, типовий іонний кристал NaCl. Конфігурація іонів натрію та хлору наступна. Всі зони, утворені з заповнених повністю атомних рівнів, також заповнені. Між останньою заповненою зоною 3P Cl- та вільною зоною 3SNa+ лежить зона близько 9 елВ. Na+ : 1S2 2S2 2P6 Cl- :1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4) Якщо ширина зони менше, ніж 2,3 елВ, то кристал являється напівпровідником. У них, за рахунок теплової енергії, деяке число електронів перекидається у вільну зону( зону провідності), обумовлюючи часткову провідність. При низьких температурах всі напівпровідники поводять себе як гарні діелектрики. Видно, що поділ на метали та діелектрики – чисто якісний, а на діелектрики та напівпровідники – все кількісний, - все визначається параметрами забороненої зони. Значення ширини забороненої зони можна дізнатися із довідника по фізиці твердого тіла. Характер заповнення енергетичних зон визначає електричні властивості речовини. А їх заповнення в свою чергу залежить від електронної структури атомів, які утворюють тверде тіло. Також важливу роль грає характер хімічного зв’язку та структура кристала. Наприклад, вуглець у формі алмаза – діелектрик, у графіті – провідник. Згідно зонної теорії твердих тіл, поділ на метали, напівпровідники та діелектрики відбувається так: метали відрізняються від напівпровідників та діелектриків відсутністю забороненої зони та неповним заповненням валентної зони. Різниця між напівпровідниками та діелектриками чисто кількісна – значення ширини забороненої зони, при заповненій валентній зоні. У металів участь електронів у впорядкованому русі, тобто у струмі провідності, зумовлене їх можливістю перекидатися на вільні рівні, так як відстані між ними у дозволеній зоні дуже малі. Або у випадку, коли взагалі зони енергії у валентній зоні перекриваються. У напівпровідниках валентна зона також,як здається, незаповнена та їх треба віднести до металів, але насправді вона складається як би з двох підзон s та p станів, і у цьому сенсі перша підзона заповнена повністю. А друга підзона – зона провідності, знаходиться з тією половиною вільних станів, що залишилися. Метали - найбільш поширений клас матеріалів. Вони становлять більше 3 / 4 всіх елементів . Що відрізняє метали від інших матеріалів : напівпровідників та діелектриків ? Ми говоримо - зовнішній вигляд , а саме , металевий блиск, і , стало бути , оптичні властивості . Ми говоримо , електричні властивості - велика електропровідність . Різниця в температурній залежності ( T). Різницю у фізичних властивостях обумовлено електронною будовою (наявність електронів провідності , що утворюють " газ" вільних або майже вільних електронів) . Якщо звернутися до періодичної таблиці Менделєєва, то можна сказати , що металічні властивості стають (у середньому) все менш вираженими при просуванні зліва направо і знизу вгору. Таким чином , метали розташовуються переважно в лівій нижній частині таблиці. Це можна віднести за рахунок того , що потенціал іонізації атомів даного ряду зростає зліва направо і тому відрив металічного електрона вимагає більшої енергії . З іншого боку , можливість утворення металічного зв'язку зростає з ростом головного квантового числа. Потенціал іонізації падає при просуванні по періодичній таблиці Менделєєва справа наліво і зверху вниз. Однак , різку границю між металами і неметалами в періодичній таблиці Менделєєва провести неможливо . Якщо всі елементи перших трьох груп , за винятком H і В , а також всі елементи перехідних груп , безумовно є металами , а всі галогени і благородні гази - неметалами , то в IV -VI групах є як неметалічні елементи - діелектрики ( С в алмазній модифікації , N , P , As , O , S ) , так і елементи за властивостями проміжні між металами і неметалами ( Si , Ge , - Sn , Se , Te , Sb , Bi ) , і , нарешті , безсумнівно металічні елементи ( - Sn і , особливо , Pb) . Багато з неметалічних елементів , переходять в метали при високому тиску . Ми розрізняємо лужні метали ( Na та інші елементи 1- ї групи) , благородні метали ( Cu , Ag , Au ) і перехідні метали . Перехідні метали розбиваються на кілька груп: 1-а група ( 3d- метали) перехідних металів починається з Скандію до Нікелю 2- а група ( 4d - метали) - з Ітрію до Паладію 3-тя група ( 5d ) - від Гафнію до Платини. Особлива перехідна група - рідкісні землі ( 4f - метали) від Церію до Лютецію , заповнюється 4f - оболонка . Актиноїди - ( 6d ) , заповнюється 6d і 5f -оболонки . Всі актиноїди радіоактивні. | |
| Просмотров: 576 | Загрузок: 7 | Рейтинг: 0.0/0 | |
| Всего комментариев: 0 | |