Такие вещества (металлы) образуются, как правило, из атомов одного типа, во внешней оболочке которых содержится меньше или половина допустимого принципом Паули числа электронов. Идеальным примером такого вещества являются кристаллы, образованные атомами щелочных металлов. В их внешней оболочке ns1 содержится по 1 электрону – ровно половина от числа, разрешенного по принципу Паули. Поэтому энергетическая зона такого кристалла оказывается заполненной наполовину. К металлам относятся также вещества, образованные из атомов одного сорта с заполненной внешней оболочкой, но в которых происходит перекрытие двух ближайших энергетических зон. Типичным примером такого вещества являются кристаллы, образованные атомами щелочноземельных элементов. Эти атомы имеют полностью заполненную внешнюю ns2 – оболочку. Однако при объединение в кристалл происходит перекрытие полностью заполненной ns-зоны и полностью пустой np-зон. В результате образуется одна общая, но уже частично заполненная зона. Частично заполненная зона имеет большое число свободных (не занятых электронами) состояний, энергия которых мало отличается от энергии самого верхнего заполненного уровня этой же зоны. В таких веществах уже слабое электрическое поле способно вызвать направленное движение обобществленных электронов, т.е. вызвать электрический ток. Поэтому частично заполненные энергетические зоны называются зонами проводимости. Зонами проводимости также называются пустые зоны, поскольку при их минимальном заселении путем внешнего воздействия вещество становится способным проводить электрический ток.
Диэлектрики. К ним относятся твердые тела, состоящие из атомов с полностью заполненной внешней оболочкой (атомы инертных газов), и химические соединения с ионной и ковалентной связями, при образовании которых оба атома (иона), как и в случае молекул, оказываются с полностью заполненными внешними оболочками. Примером такого вещества с чисто ионной связью являются щелочно-галоидные кристаллы, например, поваренная соль NaCl. На своей внешней 3s-оболочке атом натрия имеет один электрон, а атом хлора на своей внешней 3p-оболочке – пять электронов. Один s-электрон натрия переходит на p-оболочку хлора. При этом в кристалле NaCl формируются две энергетические зоны: 3p-зона (зона иона хлора) и 3s-зона (зона иона натрия). Зона иона хлора является полностью заполненной, а зона иона натрия – полностью пустой. Они отделены друг от друга запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны в самом узком участке в пространстве волновых векторов называется энергетической щелью или просто шириной запрещенной зоны, которая обозначается Eg и в диэлектриках с ионной связью достигает значения 10 эВ. Нижняя полностью заполненная зона называется валентной зоной, а верхняя полностью пустая – зоной проводимости.
При ковалентной связи энергетические зоны обобществленных электронов взаимодействующих атомов перекрываются таким образом, что образуется полностью общая кристаллическая зона, которая называется валентной. Она является самой нижней зоной валентных электронов. Выше ее располагается пустая энергетическая зона, образованная из возбужденных оболочек валентных электронов взаимодействующих атомов. Самая нижняя из них называется зоной проводимости. Она может состоять из отдельных или перекрытых зон возбужденных электронов атомов. Зона проводимости и валентная зона также отделяются друг от друга запрещенной зоной, максимальная энергетическая щель которой достигает значения щели в диэлектриках с ионной связью. Примером такого вещества является кристаллы оксидов. Однако в большинстве из них наряду с валентной связью присутствует и ионная связь.
Для таких тел внешнее электрическое поле не может вызвать появление электрического тока, несмотря на наличие обобществленных электронов, способных двигаться по всему кристаллу. Для создания направленного движения электронов они должны получать от электрического поля энергию поступательного движения. Однако в полностью заполненной валентной зоне для электронов нет такой возможности. Такая возможность появляется только тогда, когда часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Однако для этого электронам надо преодолеть запрещенную зону. При типичной напряженности электрического поля 100 В/см, вызывающего электрический ток в металлах, на длине свободного пробега электрон может получить от электрического поля энергию порядка 10-4 – 10-6 эВ << Eg. Этого не достаточно для преодоления запрещенной зоны. Поэтому такие вещества называются диэлектриками или изоляторами – не пропускающими электрический ток. При повышении напряженности электрического поля может произойти пробой, т.е. разрушение вещества.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.