Energijos juostų modelis
Kvantinė teorija teigia, kad elektronai atome esti išsidėstę tam tikrose orbitose (lygmenyse). Elektrono energija atome priklauso nuo to, kuriame lygmenyje jis yra. Kiekvienas elektronas turi savo pagrindinį lygmenį, kuriame jis gali būti neribotą laiką, ir daugybę sužadintų lygmenų, į kuriuos jis gali patekti tik gavęs iš šalies papildomos energijos. Juose elektronas gali būti tik ribotą laiką. Jei atomas turi daug elektronų, tai kiekvienas elektronas turi savo pagrindinius ir sužadintus lygmenis.
Paulio (V.Pauli) draudimo principas teigia, kad viename lygmenyje gali būti ne daugiau dviejų elektronų. Jei tame pačiame lygmenyje esti du elektronai, tai jų sukiniai turi būti priešingi. Kitaip sakant, vienodą energiją atome gali turėti ne daugiau dviejų elektronų.
Paulio principas tinka ne tik atomui, bet ir bet kokiai tarpusavy sąveikaujančių atomų sistemai. Tokia sistema yra ir kietasis kūnas. Kad būtų išlaikytas šis principas, suartėjant atomams kiekvienas jų lygmuo suskyla į tiek lygmenų, kiek sistemoje yra atomų. Pavyzdžiui, 1 cm3 kieto kūno esti apie 1022 atomų. Į tiek lygmenų suskils ir kiekvienas izoliuoto atomo lygmuo. Taip vietoj lygmenų susidaro išplitusios juostos. Jų plotis siekia vieną ar keletą elektronvoltų, taigi vidutinis atstumas tarp atskirų lygmenų juostose esti laba mažas (DW» 10-22 eV). Suskyla tiek pagrindines, tiek ir sužadintas būsenas atitinkantys lygmenys.
Kietųjų kūnų elektriniam laidumui paaiškinti užtenka dviejų juostų. Viena jų susidariusi iš valentinių elektronų pagrindinio lygmens ir vadinama valentine juosta (paveiksluose ją sutrumpintai žymėsime V. J.), o kita – iš valentinių elektronų pirmojo sužadinto lygmens ir vadinama laidumo juosta (L. J.). Tarp šių dviejų juostų gali būti draustinė juosta, kurioje elektronų būti negali. Draustinės juostos plotį žymėsime Wg. Kadangi valentinė juosta atsiradusi iš nesužadinto lygmens, tad joje būna daug elektronų, o į laidumo juostą elektronai patenka tik gavę papildomos energijos.
 |
Energijos juostos pavaizduotos 70 pav. Jame We žymi elektronų energiją.
Elektronai stengiasi užimti kuo mažesnės energijos lygmenis, esančius juostų apačioje, tačiau kiekviename lygmenyje telpa tik po du elektronus.
Pavyzdžiui, pirmosios elementų sistemos grupės metalai turi tik po vieną valentinį elektroną, taigi jie užima tik apatinę valentinės juostos pusę, o aukščiau lieka neužimti lygmenys. Į juos gali patekti elektronai įgiję kad ir nedidelę energiją, nes, kaip minėjome, atstumai tarp lygmenų labai maži. Priminsime, kad elektrono šiluminio judėjimo vidutinė energija kambario temperatūroje kT»10-2 eV, o esant sudarytam kad ir nestipriam elektriniam laukui laisvojo kelio ilgyje įgytoji energija eEl» 10-8 – 10-4 eV. Todėl veikiant elektriniam laukui elektronai patenka į neužimtus lygmenis ir gali judėti prieš lauko kryptį. Tai ir sąlygoja didelį šių metalų elektrinį laidumą.
 |
Antrosios grupės metalai turi po du valentinius elektronus, todėl jie visiškai užpildo valentinės juostos lygmenis, ir bet koks jų judėjimas toje juostoje tampa negalimas. Tačiau šiuo atveju valentinė ir laidumo juostos dalinai persikloja, t. y. nesti tarp jų draustinės juostos ir elektronai gali judėti patekdami į tuščius laidumo juostos lygmenis. Šitaip aiškinamas antrosios grupės metalų didelis elektrinis laidumas.
Pirmos grupės metalų juostų modelis parodytas 71 pav.,a), o antros – 71 pav., b). Elektronais užpildyta juostos dalis pažymėta tamsiau.