Кристалдардағы энергетикалық зоналар

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 5 бет
Таңдаулыға:

3. Кристалдардағы энергетикалық зоналар

Жекеленген атомдардан кристалл түзілгенде, олардағы электрондардың энергетикалық күйлері бір-біріне әсер жасайды. Мысал ретінде натрий атомдарының тізбегін қарастырайық. тізбектегі атомдар саны N болсын. Егер атомдар бір-бірінен қашық орналасқан болса, онда олардың потенциалдық шұңқұрлары (3-сурет) бір-бірімен айқаспайды да, бір атомдағы электрондарға басқа атомдардың әсері болмайды. Әр атомды жекеленген жүйе ретінде қарастыруға болады.

Тізбектегі атомдар кристалдық тор тұрақтысына тең (натрий үшін а=4, 3А ⁰ ) қашықтықта орналасқан болсын(4-сурет) . Суретте натрий атомдары тізбегінің оң жақ ұшындағы үш атом ғана көрсетілген. Мұндай жағдайда жеке атомдардың потенциалдық шұңқырлары (олар пунктирмен көрсетілген) өзара айқасып кетеді де, қортындысында потенциалдық энергия қисығы суретте бірыңғай сызықпен сызылған түрге келеді. Осы тұрғыдан қарағанда кристалдардағы электрондарды екі топқа бөлуге болады:

1. Атомның ішкі қабықшаларындағы электрондар . Олар-әр атомның өзінің потенциалдық шұңқырында қалып кететін электрондар. 4-суретте энергетикалық деңгейлердің масштабы сақталмаған, шындығында бұл айтылғандар электрондар орналасқан потенциалдық шұңқырлар өте терең. Оның мынадай мысалдант көруге болады. Натрийдің жеке атомын иондау (сыртқы қабаттағы электронды босату) энергиясы 5, 1 эВ -қа тең, ал ядроға ең жақын орналасқан электронды босатып алу үшін 1100 эВ энергия жұмсау керек. Олай болса, атомдардың кристалл түзілгенде бұл топтағы электрондар өз ядроларының төңірегінде қала береді. Кристалдардағы Мұндай электрондарды күшті байланысқан электрондар деп атайды .

2. Валенттік электрондар, немесе 3 деңгейдегі электрондар.

Суретте көрсетілгендей бұл деңгей кристалл ішіндегі потенциалдық энергия қисығынан жоғары орналасқан. Сол себептен валенттік электрон кристалл ішінде кедергісіз қозғала алады және оны кристалдың кез- келген нүктесінде кездестіру ықтималдығы бірдей. Мұндай, өз атомдары мен нашар байланыста болатын және бүкіл кристалға орптақ болып кеткен, электрондарды еркін электрондар деп атайды. . Шындығында олар еркіндігі кристалл шекарасымен шектеледі. Өйткені тізбектің шетінде (4 сурет) потенциалдық энергия қисығы тік жоғары көтеріледі де электрондардың кристалдардан шығып кетуіне кедергі болатын потенциалдық тосқауыл жасайды.

Бұл келтірілген модель -кристалдардағы электрондардағы екі топқа бөлудің көрнекі және ең жеңілдетілген дәлелі ғана. Шындығында кристалл ішінде пайда болатын периодты потенцалдық өріс әлдеқайда күрделі. Егер кванттық тұрғыдан қарастыратын болсақ, тізбектегі(кристалдағы) атомдарды бір-біріне жақындатқанда тағы бір мынадай құбылстың қоса жүретініне көз жеткіземізһ. Көршілес орналсқан атомдардың электр өрістерінің белгілі атом ға жасайтын әсеріне байланысты олардағы рұқсат етілген энергетикалық деңгейлер Паули принціпі негізінде бір -бірінен ығцысады. Атомдардағы белгілі деңгей, енді кристалда бір - біріне өте жақын орналасқан деңгейлер тобын түзеді. Оны энергетикалық зона деп атайды. (5-сурет) Мысалы: Nа атомдарынан түзілген тізбекте (4-сурет) Атомдағы 3s- деңгей N қосымша деңгейлерден тұүратын энергетикалық зона береді. Паули принціпі бойынша әр деңгейде тек екі электрон орналса алатындықтан, бұл зонадағы деңгейлердің жартысы электрондармен толады да, жартысы бос болады.

Атомдар жақындаған сайын энергетикалық зонадағы жіктелген деңгейлер бір - бірінен қашықтай тұседі. Қарастырылып отырған атомның ішкі қабаттарындағы электронға көршілес атомдардын электр өрісінің әсері аз болғандықтан, оларға сәйкес деңгейлердің жіктелуі аз болады да, тіпті көп жағдайда оны ескермеуге болады. Кристалдардағы түзілген зоналардың өзі бір - бірімен белгілі қашықтықта орналасады. Рұқсат етілегн деңгейлерден тұратын энергетикалық зонаны рұқсат етілген энергетикалық зона деп атайды да олардың арасындағы рұқсат етілмеген деңгейлер зонасын тыйым салынған зона деп атайды.

Кристалдардағы атомдардың концентрациясы өте үлкен - 10 ²⁸ м ³ . Егер әдеттегіндей рұқсат етілген энергетикалық зонаның ені бірнеше электрон - вольт деп алсақ, онда зонадағы деңгейлердің қаншалықты бір - біріне жақын орналасатынын елестетуге болады. Тіпті зона ішінде энергия үздіксіз өзгереді деуге де болады. Қатты денелердің электрлік қасиеттері энергетикалық зоналардың түріне, олардың өзара орналасуына және электрондармен толу, не толмауына байланысты. Осы ерекшеліктеріне байланысты заттар үш топқа бөлінеді.

Бірінші топқа рұқсат етілген зоналары не түгелімен электрондармен толған, не ондай зонада бірде бір электрон болмайтын заттар жатады. (6. а сурет) . мысалы ретінде NaCl - кристалын алайық. Ол Na ⁺ натрий ионынан және Cl- хлор ионынан тұрады делік. Натрий ионынын әрқайсысында 1s- күйде екі, 2s-күйде екі және 2p-күұде алты электрон болады, олай болса кристалдағы барлық натрий иондарын беретін 1s, 2s және 2p зоналары электрондармен түгел толған. Натрийдің бір электронының хлорға өтуіне байланысты кристалдағы хлор атомдарынан түзілетін энергетикалық зоналар(1s, 2s, 2p, 3s, 3p) да түгелдей электрондармен толған. Натрий иондарының беретін келесі 3s-зонасында бірде-бір электрон жоқ және онымен ең жоғарғы толған зона арасында 8 эВ энергетикалық интервал (тыйым салынған зона) бар.

Заттардың екінші тобына -ең жоғарғы энергетикалық зонасы жарым-жартылай электрондармен толған заттар жатады (6, б-сурет) . Бұл топқа жататын заттар әсіресе сілтілік металдар. Жоғарыда айтқанымыздай, мысалы, натрий кристалының ең жоғарғы 3s-зонасындағы деңгейлердің жарымы ғана электрондармен толған.

Ал үшінші топқа жататын заттардың (6, в-сурет) ең жоғарғы толған зонасы мен одан кейінгі бос зонасы бір-бірімен айқасып кетеді де, олар жарым-жартылай толған бірзона түзеді. Мысалы, мыс кристалының түгел толған3d-зонасы, жарым-жартылай толған 4s-зонасы және бос 4p-зоналары өзара айқасып кетеді де, біріңғай жарым-жартылай толған зона береді. Бұл заттар тобына Периодтық системаның 2 тобындағы элементтерді жатқызуға болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.