Зонна теорія твердого тіла(Енергетичні спектри)

Як було зазначено вище, ізольований атом характеризується набором енергетичних рівнів (дискретним енергетичним спектром).

Речовина, яка є сукупністю атомів, має енергетичний спектр атомів (набір дискретних рівнів), у виді енергетичних зон (неперервні енергетичні спектри).

Виникнення енергетичних зон можна пояснити таким чином. Нехай деяка кількість N_A однакових атомів входить до кристалічних грат. З наближенням один до одного атоми починають взаємодіяти, Їх енергетичний стан зманюється, виникає розщеплення рівнів в зонi. Замість одного рівня у окремого атома з’являється N_A рівнів у всій сукупності атомів.

При розщепленні рівнів виникають три енергетичні зони — валентна зона (ВЭ), зона провідності (ЭП) та заборонена зона (ЭЭ). Зони відрізняються значенням рівнів енергіїб. В деяких випадках зони можуть перекриватися.

Валентна зона — це верхня енергетична зона, в якій знаходяться валентні електрони.

Зона провідності — с зоною дозволених значень енергії електронів провідності.

Якщо між валентною зоною та зоною провідності існує енергетичний зазор, то він відповідає зоні заборонених значень енергії. В цій зоні не існує електронів.

Відповідно із шириною заборонено зони ЛИ та пов’язаною з нею електропровідністю, речовини розподіляють на (рис .5):

- провідники, для яких ΔW₃₃ = 0 еВ ;

- напівпровідники з ΔW₃₃ <3 еВ;

- діелектрики з ΔW₃₃ >3 еВ.

Рис. 5. Енергетичні зони речовини

Велика електропровідність провідників обумовлена наявністю велико кількості вільних (у межах кристала) електронів. Згідно із зонною теорією, ці електрони знаходяться в зоні провідності, де вони можуть займати дискретні, але дуже близько розміщені рiвнi таким чином, що додавання електрону незначної енергії приведе до його переходу в межах цієї зони на більш високі ревні (рис. 6 б,а).

В напівпровідниках i діелектриках (ізоляторах) на розрив зв’язку електронів з атомами необхідно витратити досить велику енергію, що відповідає наявності забороненою зони завтовшки ΔW₃ (рис. 6 б).

При розриві зв’язку електрон стає вільним, тобто переходить у зону провідності, де поводить себе так, як i у металах. На мiсцi електрона, який вийшов iз ВЭ, виникає дірка. Рух дірки пов’язаний з переходом електронів на вакантні зв’язки, тобто на дозволені рiвнi у валентній зоні.

При отриманні енергії зовні електрон переходить із нижнього рівня на вищий, а дірка з високого рівня на низький. Тобто весь енергії для дірок спрямована донизу.

Рис. 6. Енергетичні рiвнi: а) провідника; б) напівпровідника та діелектрика

Агрегатний стан речовини

Речовини за в’язкістю й упорядкованістю їх, iонiв або молекул можуть мати три агрегатних стани:

— твердий;

— рідинний;

— газоподібний.

Твердий стан характеризується трьома ознаками:

— пружністю, або здатністю миттєво повертати попередню форму після зняття зовнішніх сил;

— кристалічною структурою;

— стрибкоподібною зміною характеристик при плавленні.

При повільному розплавленні i спеціальному вирощуванні отримують монокристали.

При середній швидкості охолодження — полікристали.

При швидкому охолодженні — речовини з аморфною структурою.

За природою сил хімічного зв’язку кристалічні тверді речовини розподіляють на 4-типи:

— метали та сплави (відрізняються високою електропровідністю, металічним

блиском, ковкістю);

— iоннi кристали (NaCl,KCl) — електронейтральнi, прозорі, їх електропровідність зростає з температурою);

— валентні кристали (алмаз, германій, карборунд та iншi) — в їх кристалічних гратах кількість електронів, якi оточують кожен атом гратiв, дорівнює його валентності;

— молекулярні кристали (йод, нарадiн — це слабо зв’язані агрегати молекул iз низькою температурою плавлення).

Рідинний стан характеризується визначеним об’ємом i не має своєї форми. Молекули знаходяться на близькій відстані, на якій сили взаємодії й притягання молекул значно більші ніж у газоподібному станi. Цим обумовлена наявність сил поверхневого натягання рідини, а також мала їх стискаємiсть.

Крім звичайних рідин з ізотропною структурою, зустрічаються анізотропні рідини, або рідинні кристали, якi характеризуються деякою орієнтованістю молекул.

Газоподібний стан молекул найбільш неупорядкований та структурно не сталий. Гази не мають постійного об’єму, здатні розширюватись та займати увесь об’єм, в якому вони знаходяться. З газоподібних станів найбільш розповсюдженим є плазмовий стан.