If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Защо теорията за строежа на атома не работи при твърди тела

За да разберем структурата на твърдите тела ни е нужна квантовата физика. Вече учихме как електроните се разполагат в електронни слоеве с дискретни енергийни нива. Но този модел не работи при твърдите тела. В това видео ще разгледаме защо ни трябва нова теория, за да разберем свойствата на твърдите тела.  Създадено от Махеш Шеной.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.

Видео транскрипция

За да разберем как да използваме полупроводниците, за да построим всички тези удивителни изчислителни устройства, ще започнем от самото начало, чак до разбирането защо полупроводниците са полупроводници. Имам предвид защо определени материали се държат като проводници, които са много добри в предаването на електричество през себе си, докато други – не? За да разберем това, трябва да разгледаме нещата на атомно ниво. Може да имаме представа за атомите, но познай какво? Оказва се, че знанието ни за атомната структура не е достатъчно. В това видео ще обобщим всички неща, които може би вече знаем от предишните видеа. Ще видим защо настоящото знание или настоящата теория за атомите не е достатъчна, за да говорим за твърдите вещества като цяло, които ще ни интересуват. За начало, вече може да имаш представа. Може да знаеш, че цялата материя е изградена от атоми. Ако избереш един от тях и увеличиш, може да знаеш, че самите атоми са изградени от по-малки неща. В центъра имаме нещо, наречено ядро, което има положителен заряд, и електроните, които са отрицателно заредени, биват привлечени от ядрото и се носят около ядрото в различни орбити, точно както в Слънчевата система планетите се носят около Слънцето. Това не е много точен модел. Ще се върнем обратно към това. Но засега нека използваме този модел. Важното нещо е, че има някои електрони, като тези, които са силно свързани с ядрото. Наричаме ги свързани електрони. Свързаните електрони не са отговорни за електропроводимостта. Докато има други електрони, които не са толкова силно привлечени от ядрото и те са свободни да се движат от един атом в друг. Тези електрони наричаме провеждащи електрони, или свободни електрони, и те са отговорни за електропроводимостта. В някои материали е много лесно да получиш тези свободни електрони. Ще имаш много от тях. Наричаме тези материали проводници. От друга страна, в някои материали е много трудно да получиш тези свободни електрони затова те са пренебрежимо малко количество. Като резултат, те са лоши проводници, или са изолатори. И, разбира се, имаме междинните, които наричаме полупроводници. Мисля, че най-важният въпрос, който трябва да си зададем тук, е как електронът става свободен? Какво го прави свободен и от какво зависи това? Това е нещото, което трябва да открием. Трябва да разгледаме цялото това нещо като твърдо вещество, понеже полупроводниците са твърди вещества. Трябва да открием какво прави електроните свободни в твърди вещества. За да направим това, трябва да преминем отвъд този модел на Слънчевата система за атома, който, както споменах преди, не е много точен. Трябва да разгледаме по-точен модел на атомната структура. Да направим това. Може би вече учи за това по химия. Оказва се, че вместо да мислим къде са електроните и по какви орбити се движат, е много по-добре да ги разглеждаме според тяхната енергия. По-добре е да мислим какви са енергиите, които електроните могат да приемат. Може би вече учи по химия, че във всеки атом, ако начертая тук енергиите, във всеки атом електроните могат да имат само няколко специфични стойности на енергията. Може би най-ниската енергия, която един електрон може да има, е някъде тук. Няма да записваме числата тук. Няма да разглеждаме това много количествено, не се тревожи за това. Може би това е най-ниската енергия, която един електрон може да притежава. Следващата по-висока енергия, която един електрон може да притежава, може да е някъде тук, а може би следващата може да е някъде тук и така нататък. Даваме имена на тези енергийни нива. Наричаме най-ниското 1s енергийно ниво. Следващото по-високо става 2s, след това идва 2р. После имаме 3s и 3р, и така нататък. Отново, ако това ти изглежда много ново и нямаш идея какво са s и р, тогава ще е добре да спреш тук, да се върнеш и да гледаш видеата за електронната конфигурации в плейлистата по химия, а после да дойдеш отново тук. Но се оказва, че електроните не могат да заемат тези енергийни нива на случаен принцип. Има определено правило кои електрони запълват тези енергийни нива. И това правило – отново, може да учи за него. Наричаме го принцип на Паули за изключването. Принцип или правило на Паули за изключването. То просто казва, че никои два електрона... никои два електрона не могат да имат идентични енергии. Отново, това не е точното твърдение на Паули, но ще ни помогне, достатъчно ни е. Нека вземем конкретен пример. Предположи, че вземем натриев атом. Той има 11 електрона. Има 11 електрона. И тези 11 електрона могат да имат само специфични енергийни нива. Начинът, по който тези електрони ще запълнят енергийните нива, е съгласно принципа на изключването. Първият електрон... помни, електроните винаги искат да приемат най-ниската възможна енергия. Първият електрон би дошъл ето тук, а после може да мислиш, че следващият електрон не може да дойде тук, понеже Паули ни казва така. Не спорим с Паули. Вторият електрон, ако дойде тук, може да има идентична енергия, но не съвсем, понеже се оказва, че електроните могат да имат спин нагоре и спин надолу. Ако първият електрон влезе на ниво1s и приеме спин нагоре, друг електрон може да приеме същото енергийно ниво и да е със спин надолу, понеже се оказва, че тези два спина имат леко различаваща се енергия. Тези два електрона, строго казано, пак спазват правилото на Паули, понеже не са точно идентични поради спиновете си. Но следващият електрон, третият електрон, не може да се разположи на 1s енергийното ниво, понеже ако го направи и е със спин нагоре, той ще е идентичен на този, а ако го направи и е със спин надолу, тогава ще е идентичен на този. Не може да заеме това ниво. Трябва да заеме следващото по-високо енергийно ниво, което е налично, и то е това тук. Може да дойде тук. Енергийните нива между тези са недостъпни за тези електрони. Следващата енергия, която може да приеме, ще е 2s. Отново, може да бъде със спин нагоре. Четвъртият електрон може да дойде тук със спин надолу. Следващият електрон ще дойде тук, спин нагоре, а следващият ще е със спин надолу. И ето какво. Оказва се, че в р енергийното ниво има три начина, по които електроните могат да заемат това енергийно ниво. Наричаме ги орбитали. Оказва се, че в s енергийните нива има само един начин. Има само една орбитала. Но в р има три орбитали. Така че друг електрон може да заеме 2р енергийното ниво като е в различна орбитала. Този електрон и този електрон ще са в различни орбитали, или различни конфигурации. Не е нужно да се тревожим много за името. Но пак няма да са идентични. Друг електрон може да заеме същата тази орбитала със спин надолу. Другият електрон е в третата р-орбитала със спин нагоре, а после следващият е със спин надолу. Сега 2р е напълно запълнено. Няма повече налични орбитали. Така че последният електрон, стигаме до 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, последният електрон ще е тук, в 3s, със спин нагоре. Но това е за единичен атом на натрия. Ами ако имаме, да кажем, два атома натрий, които са много близо един до друг, какво се случва? Нещо такова... Ами ако образуват молекула? Как електроните в тази молекула ще запълнят енергийните нива? Можем ли да кажем, че всеки атом ще има нещо такова? Всеки атом ще има електрони, които запълват орбиталите съответно? Това няма да проработи, не може да е възможно. Начинът да си представим това е, че можем да кажем – ако го направим така – че принципът на Паули ще бъде нарушен. Спомни си, принципът на Паули гласи, че никои два електрона – и когато кажем никои два електрона, това може да са никои два електрона в атом или никои два електрона в молекула, или може би никои два електрона в цялото твърдо вещество. Никои два електрона не могат да имат идентични енергии. Така че, ако двата атома имат тези електронни конфигурации, тогава можеш да видиш, че този електрон и този електрон ще са идентични. Този и този ще са напълно идентични. Всички те ще имат идентични двойки, и принципът на Паули ще е нарушен, така че това не може да е възможно. Ако имаме цяло твърдо вещество, което е изградено от натрий, където имаме, например, 10^23 атома близо един до друг, и ако използваме този модел за всеки атом, тогава ще има около 10^23 идентични копия електрони във всяко ниво. Принципът на Паули ще е нарушен. Ключовото нещо е, че тази структура, която учихме за отделния атом, не може да бъде разширена, когато стигнем до твърдите вещества. Трябва ни нова теория, за да разберем какво става и как електроните са се подредели, или как да си ги представим, когато става въпрос за твърди вещества. Ще разгледаме това в следващите видеа.