ПОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛОВ План Обменное

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

ПОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛОВ

План Обменное взаимодействие. n Энергетические зоны. n Металлы. n Ковалентные кристаллы. n Ионные кристаллы. n Молекулярные кристаллы. n

n n Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Как известно, отдельные атомы, имеют дискретный энергетический спектр, т. е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни.

Обменное взаимодействие. n n При конденсации электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединенных атомах. Благодаря перекрытию оболочек электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, т. е. перемещаться по кристаллу. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является следствием неразличимости электронов. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов.

Энергетические зоны. n n n При образовании химической связи образуются молекулярные орбитали, охватывающие всю молекулу, причем происходит расщепление энергетических состояний на связывающие МО с низкой энергией и разрыхляющие МО с более высокой энергией. Разность между верхней и нижней энергиями зоны называется шириной зоны. Например, если ширина зоны составляет 1 э. В (96, 46 к. Дж), а в кристалле содержится 1 моль частиц, то разница между энергиями будет иметь порядок 10 -21 к. Дж.

n n Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки.

n Обозначим через ЭА энергию обменного взаимодействия между двумя соседними атомами.

n Поскольку обменная энергия ЭА зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то уровни энергии внутренних оболочек, которые сильнее локализованы вблизи ядра, расщепляются меньше, чем уровни валентных электронов. Расщеплению в зону подвержены не только нормальные (стационарные), но и возбужденные энергетические уровни. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а величина запрещенных энергетических зазоров соответственно уменьшается.

А - уединенного атома; б - неметаллического твердого тела.

n В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового магнитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. Конечным оказывается и число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, что играет важную роль в формировании энергетического спектра кристалла.

n n Зона, заполненная осуществляющими химическую связь электронами, называется валентной. Зона, свободная от электронов и находящаяся по энергии выше валентной зоны, называется зоной проводимости.

Металлы. n n n У элементов с одним s-электроном в кристаллах валентная зона построена из s-орбиталей и заполнена лишь наполовину. Если s- и p- уровни в изолированных атомах близки, то в кристаллах соответствующие зоны перекрываются. Уd-элементов происходит перекрывание ns-, np- и (п-1)dзон. Однако d-зона относительно неширокая, поэтому можно считать, что часть d-электронов в металлах локализованы, т. е. образуются ковалентные связи между соседними атомами и обусловливают повышение температуры плавления и механической прочности dэлементов и особенно элементов в середине и в конце периодов (IV-VIII групп).

Ковалентные кристаллы.

Ионные кристаллы. n Вещества с ионными кристаллами относятся к диэлектрикам. Так, в кристалле хлорида натрия валентные электроны атомов Na (3 s 1) и Cl (3 s 23 p 5) заполняют валентную энергетическую зону 3 p. В представлении теории ионной связи это отвечает переходу электронов от атомов Na к атомам Cl и образованию ионов Na+ и Cl-. Поскольку энергетическое различие между валентной 3 pзоной и свободной 3 s-зоной велико ( ≈ 8 э. В), в обычных условиях Na. Cl электронной проводимостью не обладает.

Молекулярные кристаллы. n n Некоторые вещества с молекулярными кристаллами также относятся к диэлектрикам , например, кварц Si. O 2 ( 5, 2 э. В). В молекулярных кристаллах молекулы связаны друг с другом за счет межмолекулярных электростатических сил; энергетические уровни локализованы в пределах молекулы. Переход электронов между молекулами в обычных условиях не происходит.

Выводы зонной теории. n Электрические свойства всех твердых тел определяют энергия возбуждения носителей заряда или энергия активации электропроводности - она равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящих при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков; хорошо проводящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить твердые тела по этому признаку

n n Зонная теория позволяет объяснить электрические и тепловые свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Разделение на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой изначальный смысл.

Скачать презентацию ПОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛОВ План Обменное

MES_4.ppt

Количество слайдов: 17