қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
588
589
– 1969)] кристалдағы электрондардың
қ о з ғ а л ы с ы н т ү с і н д і р д і ж ә н е
зоналық теорияны тұжырымдауға
талпынған.
Зоналық теория – қатты
денелердің осы заманғы
электрондық
теориясының негізі болып табылады.
Қатты денелердегі атомдар өздерінің
өлшемдерімен қарайлас қашықтықта
орналасқандықтан, валенттілік элек-
трондар белгілі бір атомдармен бай-
ланысын үзеді де бүкіл кристалдар
бойынша қозғалатын болады, қатты
денелердегі энергияның дискретті
атомдық деңгейлері жолақтарға –
энергетикалық зоналарға кеңейеді
(1-сызба). Энергиялардың рұқсат етілген зоналары бірімен-бірі тыйым салынған
зоналар арқылы ажыратылатын болады, бірақ бір-бірін қамтып жатуы да мүмкін.
Егер атомдардың электрондық қабықшаларының бірін-бірі қамтуы жеткіліксіз
болса, олардың аралығындағы электрондардың ауысулары салыстырмалы түрде
сирек кездеседі, сонда рұқсат етілген зоналардың ендері атомдық деңгейлердің
аралығындағы қашықтықтан кіші болады (күшті байланыстың жақындауы)
(2-сызба). Көршілес атомдардың элек-
трондық қабықшалары бірін-бірі кө-
бірек қамтыған болса және электрон-
дар атомнан атомға жиі ауысатын бол-
са, рұқсат етілген зонаның ені сонша-
лықты кең болмақ. Осы жағдайларда
рұқсат етілген зоналарды белгілі бір
атомдық күйлермен байланыстыру
мүмкін емес: осы күйлердің өздері
атомаралық өзараәсерлесумен күшті
өзгеріске ұшыраған.
Әрбір зонаның шегінде электрон-
дардың күйі оның квазимпульсімен си-
патталады. Т=0 (температура нөлге тең)
болған кезде қатты денелердің электрон-
1-сызба. Кристалда атомдық электрондық
деңгейлердің энергетикалық зоналарының
түзілуі.
2-сызба. Кристалдағы электрондар энер-
гиясының мүмкін мәндері. Төменгі дискретті
деңгейлер атомдардың ішкі қабықшаларына
сәйкес болады.
қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
590
591
дары энергияның ең төменгі деңгейін
толтырады. Паули принципі бой-
ынша әрбір күйде спиннің мүмкін екі
бағдарының біреуінде тек бір ғана
электронның болуы мүмкін.
1931 жылы ағылшын физигі
А л а н
В и л ь с о н ( 1 9 0 6 – 1 9 9 5 )
әртүрлі электрлік қасиеттері бар
қатты денелердің болуы Т=0 К
кезіндегі энергетикалық зоналарды
электрондардың толтыру сипатына
байланысты екенін айғақтаған. Егер
бүкіл зоналар электрондармен түгелдей
толтырылған немесе бос болса, онда
мұндай дене
электр тогын өткізбейді,
яғни диэлектрик болып табылады
(3-сызбаға қараңыз). Электрондар-
мен ішінара толтырылған зоналары
болатын қатты денелер –
металдар
(б-сызба). Жартылайөткізгіштер ди-
электриктен соңғы толтырылған
(валенттік) зона мен бірінші бос зона (өткізгіштік зона, b-сызба) арасындағы тар
тыйым салынған екі зонамен ерекшеленген. Кристалда ақаулар және
қоспалар
болса, тыйым салынған зонаның қосымша (қоспалық) энергетикалық деңгейлері
пайда болады. Қоспасы бар жартылай өткізгіште әлгі деңгейлер валенттік
зонаға (г-сұлба) немесе
өткізгіштік зонаға өте жақын орналасады (д-сұлба).
Аномальді аз қамтылған валенттік зона мен өткізгіштік зоналы қатты денелер
жартылай металдар [мысалы, Ві (висмуттық қамту ені ~ 10
-5
зона еніне тең)].
Сондай-ақ саңылаусыз жартылайөткізгіштер де болады, бұлардың өткізгіштік
зонасы валенттік зонаға қосылған. Металдарда Ферми деңгейі рұқсат етілген
зонада орналасқан. Бұған изоэнергетикалық Ф е р м и б е т і сәйкес болады, ол
толтырылған электрондық күйлер аймағымен квазиимпульсті-кеңістікпен бөлінген
(ажыратылған).
Жартылайөткізгіштердегі Ферми деңгейі тыйым салынған
зонада. Саңылаусыз жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі валенттік зонаны
өткізгіштік зонадан бөлетін шекарамен сәйкес болады.
Өткізгіштік зонада элек-
трондарды қоздыру бос орындар – валенттік зонада кемтіктердің түзілуімен
3-сызба. Рұқсат етілген және тыйым салын-
ған зоналар: а – диэлектриктердің; б – метал-
дың; в, г, д, е – әртүрлі типті өткізгішті жар-
тылайөткізгіштердікі (в – меншікті, г – n-типті
қоспалы, д – р-типті қоспалы, е – аралас);
қара нүктелер – электрондар; дөңгелектер –
кемтіктер.
қ
58
∑
ҚАБАТ – ҚЫСЫМ
590
591
қабаттас өтеді. Өткізгіштік электрондар және кемтіктер жартылай өткізгіштердегі
з а р я д т а с у ш ы л а р болып табылады.
Аморфты денелерде қатаң тыйым салынған энергетикалық зоналар жоқ сияқ-
ты, бірақ квазитыйым салынған аймақтар бар, бұл аймақта рұқсат етілген зона-
ларға қарағанда күйлер тығыздығы едәуір аз. Аморфты денелерде зоналық
құрылымның аналогының сәйкестікте болуы Ферми деңгейінің қайда орна-
ласқанына тәуелді түрде олардың
металдарға, диэлектриктерге және жар-
тылайөткізгіштерге бөлінуін түсіндіреді. Аморфты жартылайөткізгіштер барын-
ша егжей-тегжейлі зерттелген.
Жеткілікті жоғары температуралар кезінде қатты денелердің барлығы
диамагнитті немесе парамагнитті болады. Температура төмендегенде кейбір
парамагнетиктер (диэлектриктер және ауыспалы металдар) Кюри нүктесінде (Т
с
)
сыртқы өріс жоқ кезде атомдардың магниттік моменттері реттеліп бағдарланған
ферро-
, немесе антиферромагнетик күйге ауысады. Ауыспайтын металдар, әдетте,
Т=0 болғанша парамагниттік күйде болады. Магниттік моменттерді бағыттаушы
реттеуіш күштердің атомаралық электрондардың арасындағы электрстатикалық
өзараәсерлесудің пайда болуына қарамастан кванттық шығу тегі болады.
Қатты денелер физикасының осы заманғы кванттық түсініктері бойынша
олар аса көп бөлшектерден (1 см
3
көлемде ~10
22
бөлшек болатын) құралған
конденсацияланған жүйе болып табылады. Бұл жүйе ХХ ғасырдың басы-
нан бастап қалыптаса бастаған. Кристалдық қатты денелердің қасиеттерін
зерттеу к в а з и б ө л ш е к т е р көзқарасынан басталған. Кристалдың қозған
күйінің энергиясын негізгі күй маңындағы жекелеген квазибөлшектердің
энергияларының қосындысы түрінде көз алдымызға елестетуімізге болады. Осы
жайт к ва з и б ө л ш е кт е р « г а з ы » ұ ғ ы м ы н енгізуге және қатты денелердің
жылулық, магниттік, т.б. қасиеттерін зерттеу үшін газдардың кинетикалық
теориясының әдістерін қолдануға мүмкіндік берді.
Қатты денелердің макроскопиялық бөлшектерден құралған физикалық нысан
(объект) ретіндегі өзіне тән бірнеше сипатын атап өтейік.
1) Атомдар, молекулалар және иондар қатты денелердің құрылымдық бірліктері
болып табылады. Бұлардың арасындағы өзараәсерлесу энергиясы, құрылымдық
бөлшектерді қиратуға жұмсалатын энергиямен салыстырғанда аз. Өзараәсерлесу
энергиясы әлгі бөлшектердің жылулық қозғалысының энергиясынан да аз, яғни
қатты денелер күшті әсерлесуші бөлшектер жүйесі.
2) Классикалық заңдар бойынша бөлшектердің жылулық қозғалысының
энергиясы ~kТ. Жоғары температура кезіндегі қатты дененің энергиясы ≈3ΝkТ
Достарыңызбен бөлісу: | 
