Принцип заборони Паулі

Відповідно до принципу заборони Паулі в атомі не може бути двох електронів, у яких усі чотири квантових числа однакові.

Кожній орбіті відповідає строго визначена енергія електрона, чи дозволений енергетичний рівень. Рівні анергії, що не можуть мати електрони при переході з однієї орбіти на іншу, називаються забороненими.

Кількість електронів, що знаходяться на кожній орбіті, і кількість орбіт для кожної речовини зовсім певні.

Електрони завжди прагнуть зайняти рівні найменшої енергії. Тому усі внутрішні електронні орбіти виявляються цілком заповненими, частково заповненої може бути тільки зовнішня орбіта.

При переході на орбіти, розташовані ближче до ядра, електрон віддає частину своєї енергії в навколишнє середовище у виді випромінювання, і його енергія зменшується. Якщо електрон в умовах впливу тепла, світла чи яких-небудь інших зовнішніх факторів здобуває додаткову енергію, то він переходить на нову, більш віддалену від ядра орбіту. Електрон, що одержав додаткову енергію, називається збудженим. Граничним випадком порушення є іонізація, при якій електрон відривається від ядра і залишає атом.

Енергетична діаграма твердого тіла

Взаємодія багатьох атомів в твердому тілі викликає зсув і розщеплення енергетичних рівнів електронів. При об'єднанні у твердому тілі N однакових атомів кожен рівень енергії розщеплюється на N близько розташованих друг до друга енергетичних рівнів, що утворять енергетичну зону.

Енергетичний проміжок, який не включає енергетичних станів, прийнято називати забороненою зоною. Забороненій зоні відповідає такі значення енергії, якими електрон не може володіти.

Рівні енергії, зайняті електронами при температурі абсолютного нуля і відсутності зовнішніх впливів, утворять у твердому тілі заповнені зони.

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів утворить так називану нормальну, чи валентну, зону.

Дозволені рівні енергії, що залишаються не зайнятими при температурі абсолютного нуля, складають у твердому тілі вільну зону. Її нижню частину називають зоною провідності, оскільки рівні, що входять у неї, можуть займати електрони, що одержали додаткову енергію при чи нагріванні другим шляхом.

На рисунку 1.1 показані графічно енергетичні зони твердого тіла,

Шириною забороненої зони визначається електропровідність матеріалу. Провідність тієї чи іншої речовини визначається тією енергією, яку потрібно надати валентним електронам, щоб вони могли перейти зі свого нормального енергетичного рівня на вищий енергетичний рівень, що відповідає зоні провідності. При цьому електрони втрачають зв'язок з ядром атома і стають вільними.

Така енергетична структура твердих тіл дозволяє пояснити фізичну сутність поділу їх на провідники, діелектрики і напівпровідників. На рисунку 1.2 показані типові діаграми енергетичних зон для провідника, діелектрика і напівпровідника. а) б) в)

Рисунок 1.2

У провідників зона провідності і зона валентних електронів перекривають один одного, тобто заборонена зона відсутня і валентні електрони легко переходять у зону провідності (рисунок 1.2,а). У діелектриків (рисунок 1.2,в) ширина забороненої зони велика, і, отже, для переходу валентних електронів у зону провідності їм потрібно повідомити значну енергію (не менш 3 еВ). Для напівпровідників (рисунок 1.2,б) заборонена зона відносно невелика (приблизно 0,5—3 еВ), і під дією зовнішних факторів (тепло, світло, електричне поле і т.п.) електрони за рахунок зміни запасу енергії можуть перейти з нормальної зони в зону провідності. Електропровідність напівпровідників хитлива і сильно залежить від зовнішніх факторів.