Квантовая теория свободных электронов в металле.

Согласно модели свободных электронов, валентные электроны атомов металла могут свободно перемещаться по всему объему образца. Именно валентные электроны обуславливают электропроводимость металла, поэтому они и названы электронами проводимости. УШ в пределах объёма: , где . Энергия электрона в образце металла может принимать только дискретный набор значений: . Под действием теплового излучения электроны с наиболее высоких уровней переходят на менее заполненные уровни. Поэтому, при нагревании тела только электроны, расположенные на самых высоких уровнях в состоянии принять энергию теплового излучения, исходя из этого, теплоёмкость металла мало зависит от полученного электронами тепла.

Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники, диэлектрики.

При движении свободных электронов, энергия валентных электронов в кристалле изменяется квази непрерывно. Мы получаем совокупность близко расположенных энергетических уровней. В действительности электроны находятся в периодическом поле кристаллической решётки. В результате спектр возможных значений энергии электронов распадается на ряд периодически меняющихся разрешённых и запрещённых зон. Значения энергии, отвечающие запрещенным зонам не могут реализовываться. Все атомы данного химического элемента находятся в свободном состоянии и имеют одинаковый спектр. При объединении атомов в кристалл, электроны попадают под действие соседних атомов и каждый энергетический уровень расщепляется на N близко расположенных уровня. N – число атомов в кристалле. Так и образуются разрешённые и запрещённые зоны.

Свойство материала определяется заполненностью электронами валентной зоны и расстоянием одной валентной зоны до соседней. Металл – валентная зона заполнена не полностью, полупроводники – валентные зоны заполнены электронами попарно, ширина запрещённой зоны около 0,1 эВ, диэлектрики – полностью заполнена валентная зона, ширина запрещенной зоны до нескольких эВ.

Электропроводность металлов. Сверхпроводимость.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состоя­ние от каждого атома металла переходит от одного до двух электро­нов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при уско­рении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается.

При снижении температуры проводимость взрастает. Сверхпроводимость – при котором сопротивление становится нулевым.

 

Электропроводность полупроводников.

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

 

Физика атомного ядра.

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным и связанным с ним магнитным моментом.