Реферат: Сучасна модель атома

Оболонка

квантове число N

макс. число електронів

K

1

2

L

2

8

M

3

18

Перехід електрона з однієї оболонки на іншу можливий при поглинанні чи випусканні кванта електромагнітного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій рівнів, між якими пересувається електрон. Тому оптичні спектри поглинання атомів, що відповідають електронним переходам на дискретні вільні рівні, так само повинні бути дискретні.

Модель Бора не могла пояснити особливості спектрів елементів більш складних ніж водень. Крім того, електрон розглядалася як частка, що приводило до ряду протиріч. Більш пізні дослідження показали, що електрон має хвильову природу і йому варто приписати визначену довжину хвилі, що залежить від його енергії. Це положення, висунуте Луї де Бройлем, лягло в основу квантової механіки, методи якої в даний час використовуються для розрахунку властивостей атомів, молекул і твердих тіл, що з них складаються.

2.3.Орбіталі.

Відповідно до сучасних уявлень електрон має хвильові властивості. Для опису його поведінки використовують хвильову функцію Ф(x,y,z) . Квадрат модуля цієї функції характеризує імовірність знаходження електрона у заданій точці. Область простору, у якій висока імовірність знаходження електрона (не менш 0.95), називають орбіталлю. Основні типи орбіталей позначають буквами s, p, d, f (від слів sharp, principal, diffuse, fundamental). Вид двох основних типів орбіталей s (вона одна), p (їх три), по яких розмазаний електронний заряд.

Орбіталі часто називають підоболонками оболонок, оскільки вони характеризують форми різних орбіт, на яких можна знайти електрони, що знаходяться в одній оболонці (при заданому квантовому числі N). Кожна підоболонка характеризується своїм, побічним квантовим числом L (його називають орбітальним) . Воно, так само як і Nа, ціле і може змінюватися в межах від 0 до (N-1). Орбітали однієї підоболонки в звичайних умовах мають однакові значення енергії (вирождені), однак під впливом зовнішнього магнітного поля орбітальні енергії стають дискретними чи квантованими.

Магнітне квантове число M цих дискретних енергетичних рівнів може приймати цілочисленне значення в межах від -L до L (включно), тобто воно може приймати 2L+1 значень. Четверте квантове число S (спін) характеризує обертання окремого електрона і може приймати значення: +1/2 і -1/2.

Кожен електрон в атомі повинний мати свій індивідуальний набір квантових чисел. Знаючи головне квантове число N, легко розрахувати, скільки електронів може знаходитися на тій чи іншій оболонці й оцінити форму можливих орбіталей.

При утворенні молекул і кристалів з атомів, на зовнішній (валентній) оболонці яких маються як S так і P електрони, можливе змішування (інтерференція) їхній орбіталей і утворення "гібридних" SP орбіталей. Форма гібридної орбіталі залежить від того, скільки P орбіталей бере участь у її утворенні. Приклади можливих гібридних орбіталей показані на нижньому малюнку.

Структура молекул і кристалів буде залежати від того, які орбітали беруть участь в утворенні хімічного зв'язку між атомами. В утворенні таких напівпровідникових кристалів як Si і Ge беруть участь SP3 -орбіталі (приналежні різним оболонкам).

При цьому, у результаті взаємодії атомів, дискретні рівні можуть бути розглянуті як енергетичні зони. У напівпровідниках із двох сусідніх зон, що утворилися з рівнів валентних електронів, одна виявляється заповненою, друга вільною.

2.4.Склад атомних ядер.

Масове число (А)- це сумарне число протонів і нейтронів в ядрі атома. Атомний номер (Z)елемента співпадає з числом протонів в ядрі його атома.

A=Z+N, де N-число нейтронів в ядрі атома. Кожен хімічний елемент характеризується певним атомним номером. Тобто два елемента не можуть мати однаковий атомний номер.

Ізотопами - називають різні за властивостями атомні різновиди одного елемента. Вони розрізняються по кількості нейтронів в їх ядрі. Таким чином, ізотопи одного елемента мають однаковий атомний номер, але різні масові числа. Наприклад,

612С, 613 С, 614 С – ізотопи вуглецю.

Атомна одиниця маси ( а.о.м.).

За стандарт прийнята маса стабільного ізотопу вуглецю

612С = 12,0000а.о.м., таким чином 1 а.о.м. =1/12m612С.

Істине значення а.о.м.= 1,661*10-27кг.

Три фундаментальні частинки, мають маси:

mпротона=1,007277а.о.м.

mнейтрона=1,008665а.о.м.

mелектрона=0,0005486а.о.м.

2.5.Електрони і дірки

Під дією тепла чи світла електрони можуть переходити з валентної зони в зону провідності. Відхід електрона приводить до утворення дірки, що повинна мати позитивний заряд, тому що електрон віддав негативний заряд і локальна електронейтральність порушилася. Сусідні валентні електрони можуть заповнювати дірку й у такий спосіб: вона може переміщатися по кристалі залишаючись у валентній зоні. Переміщення дірок буде створювати електричний струм.

Ідеальний напівпровідник, у якому відсутні домішки і дефекти називається

власним. У власному напівпровіднику концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.

На енергетичному рівні в дозволеній зоні можуть знаходитися або електрон, або дірка. Тому для імовірності перебування дірки на заданому рівні можна записати fp(E)= 1 - f(E), де f(E) імовірність перебування на цьому рівні електрона. При цьому здобуваючи енергію дірка переміщається в глиб валентної зони.

Якщо E-F значно більше k, то замість статистики Фермі-Дірака для розрахунку імовірності заповнення енергетичних станів можна скористатися статистикою Больцмана.

Використовуючи ці співвідношення з умови електронейтральності можна розрахувати положення рівня Фермі. Тобто, для власного напівпровідника рівень Фермі лежить приблизно в середині забороненої зони і при підвищенні температури він поступово зміщається до тієї зони для який ефективна маса носіїв заряду менше.

Якщо електрон з валентної збуджується в зону провідності, то у валентній зоні залишається його вакансія (дірка), при переміщенні якої по кристалі переноситься позитивний заряд. У такий спосіб заряд у кристалі може переноситися електронами, що знаходяться в зоні провідності і дірками, що знаходяться у валентній зоні. В ідеальному кристалі, у якому відсутні дефекти і сторонні домішки (такий напівпровідник називається власним), кількість "вільних" електронів - електронів у зоні провідності (n), дорівнює кількості дірок (p) і дорівнює деякій характеристичній величині, що називається власною концентрацією (ni): n=p=ni.

Чим вужче заборонена зона, тим більше в напівпровіднику термічно збуджених вільних носіїв заряду. Концентрації вільних електронів і дірок у власному напівпровіднику залежать від температури по експонентному законі.