- •Курс физики
- •Механика глава 1. Кинематика и динамика частицы § 1. Путь и перемещение
- •§ 2. Скорость и ускорение
- •§ 3. Сила и работа
- •Глава 2. Кинематика и динамика вращения твердого тела § 4. Угловая скорость и угловое ускорение
- •§ 5. Средняя скорость и среднее ускорение
- •§ 6. Момент силы
- •Глава 3. Законы сохранения § 7. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии
- •§ 8. Импульс. Закон сохранения импульса
- •§ 9. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •Глава 4. Механические колебания § 10. Гармонические колебания
- •§ 11. Затухающие колебания
- •§ 12. Вынужденные колебания
- •Глава 5. Механические волны § 13. Гармонические волны
- •§ 14. Плоская гармоническая волна
- •Экзаменационные вопросы 1
- •Контрольные задания 1 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Приложение а
- •Молекулярная физика глава 6. Кинетическая теория газов § 15. Уравнение состояния идеального газа
- •§ 16. Внутренняя энергия идеального газа
- •§ 17. Распределение Максвелла
- •§ 18. Барометрическая формула
- •§ 19. Распределение Больцмана
- •§ 20. Явления переноса
- •Глава 7. Термодинамика § 21. Термодинамическая система и термодинамический процесс
- •§ 22. Первый закон термодинамики
- •§ 23. Теплоемкость идеального газа
- •§ 24. Адиабатический процесс
- •§ 25. Энтропия
- •§ 26. Второй и третий законы термодинамики
- •Глава 8. Реальные газы § 27. Силы межмолекулярного взаимодействия в газах
- •§ 28. Агрегатное состояние вещества
- •§ 29. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •§ 30. Внутренняя энергия реального газа
- •Экзаменационные вопросы 2
- •Контрольные задания 2 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Приложение б
- •Электромагнетизм глава 9. Электрическое поле в вакууме § 31. Напряженность поля
- •§ 32. Поток вектора
- •§ 33. Теорема Гаусса для поля вектора
- •§ 34. Циркуляция вектора
- •§ 35. Потенциал поля
- •§ 36. Связь между φ и
- •Глава 10. Электрическое поле в диэлектрике § 37. Диполь в электрическом поле
- •§ 38. Поляризация диэлектрика
- •§ 39. Вектор
- •Глава 11. Энергия электрического поля § 40. Электроемкость
- •§ 41. Электроемкость плоского конденсатора
- •§ 42. Энергия электрического поля
- •Глава 12. Электрический ток § 43. Электрический ток
- •§ 44. Закон Ома для проводника
- •§ 45. Обобщенный закон Ома
- •§ 46. Закон Джоуля – Ленца
- •Глава 13. Магнитное поле в вакууме § 47. Магнитная индукция
- •§ 48. Закон Био – Савара
- •§ 49. Теорема Гаусса для поля вектора
- •§ 50. Теорема о циркуляции вектора
- •§ 51. Магнитное поле в соленоиде
- •§ 52. Закон Ампера
- •Глава 14. Магнитное поле в веществе § 53. Контур с током в магнитном поле
- •§ 54. Намагничивание магнетика
- •§ 55. Вектор
- •Глава 15. Энергия магнитного поля § 56. Индуктивность
- •§ 57. Электромагнитная индукция
- •§ 58. Энергия магнитного поля
- •Глава 16. Электромагнитные волны § 59. Вихревое электрическое поле
- •§ 60. Ток смещения
- •§ 61. Система уравнений Максвелла
- •§ 62. Электромагнитные волны
- •Глава 17. Волновая оптика § 63. Свет
- •§ 64. Интерференция света
- •§ 65. Дифракция света
- •§ 66. Поглощение света
- •§ 67. Рассеяние света
- •§ 68. Поляризация света
- •§ 69. Закон Малюса
- •§ 70. Вращение плоскости поляризации
- •Контрольные задания 3 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Экзаменационные вопросы 3
- •Приложение в
- •Квантовая физика глава 18. Квантовая оптика § 71. Тепловое излучение
- •§ 72. Закон Кирхгофа
- •§ 73. Законы теплового излучения черного тела
- •§ 74. Формула Планка
- •§ 75. Фотоэффект
- •§ 76. Формула Эйнштейна для фотоэффекта
- •§ 77. Фотон
- •§ 78. Эффект Комптона
- •Глава 19. Квантовая механика § 79. Волны де Бройля
- •§ 80. Волновая функция
- •§ 81. Соотношение неопределенностей Гейзенберга
- •§ 82. Уравнение Шредингера
- •§ 83. Микрочастица в потенциальном ящике
- •Глава 20. Атомная физика § 84. Атом водорода
- •§ 85. Излучение и поглощение света атомом водорода
- •§ 86. Пространственное квантование
- •§ 87. Принцип Паули
- •Глава 21. Зонная теория твердых тел § 88. Металлы, полупроводники и диэлектрики
- •§ 89. Электронно-дырочная проводимость полупроводников
- •§ 90. Примесные полупроводники
- •Глава 22. Ядерная физика § 92. Строение атомного ядра
- •§ 93. Энергия связи ядра
- •§ 94. Радиоактивность
- •Контрольные задания 4 Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Вариант 16
- •Вариант 17
- •Вариант 18
- •Вариант 19
- •Вариант 20
- •Вариант 21
- •Вариант 22
- •Вариант 23
- •Вариант 24
- •Вариант 25
- •Вариант 26
- •Вариант 27
- •Вариант 28
- •Вариант 29
- •Вариант 30
- •Экзаменационные вопросы 4
- •Приложение г
- •Оглавление
Глава 21. Зонная теория твердых тел § 88. Металлы, полупроводники и диэлектрики
Если изолированные атомы сблизить до расстояния L = 0,1 нм (расстояние между атомами в кристалле), то происходит сильное взаимодействие между атомами, что приводит к перекрытию их электрических полей. В этих условиях существенную роль играет туннельный эффект (см. § 83), с помощью которого валентный электрон уходит от своего атома и переходит к соседнему. В этом случае не имеет смысла говорить о принадлежности валентных электронов к определенным атомам. Эти электроны могут перемещаться по всему кристаллу, образуя квантовый электронный газ.
Образование квантового газа приводит к тому, что энергетический уровень электрона в изолированном атоме расширяется в кристалле в широкую энергетическую полосу — зону разрешенных значений энергии электронов шириной порядка нескольких электрон-вольт. Возможные значения энергии электронов в пределах разрешенной зоны квантованы, т. е. дискретны, а общее их число конечно.
Разрешенные зоны отделены друг от друга зонами запрещенных значений энергии электронов. Ширина запрещенной зоны может быть различной: от десятых до нескольких электрон-вольт.
Существование энергетических зон позволяет объяснить с единой точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.
Разрешенную зону, возникшую из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии изолированного атома, называют валентной зоной.
В металлах при обычных условиях валентная зона заполнена электронами не полностью (рис. 88.1, где черные кружки означают электроны, а горизонтальные линии — энергетические уровни. На каждом уровне могут находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами). При включении электрического поля электроны приобретают дополнительную энергию и становятся носителями электрического тока. Поэтому в металлах валентную зону называют зоной проводимости.
В отличие от металлов у полупроводников и диэлектриков валентная зона при обычных условиях полностью заполнена электронами (рис. 88.2). Для того чтобы увеличить энергию электрона, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны . У диэлектриков величина настолько велика (несколько электрон-вольт), что тепловое движение не может перевести в свободную верхнюю зону заметное число электронов и создать в ней зону проводимости. Диэлектрики при включении электрического поля не имеют носителей электрического тока.
Рис. 88.1
Рис. 88.2
У полупроводников величина невелика (несколько десятых электрон-вольт). С повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне — свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При приложении к такому кристаллу внешнего электрического поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического тока. Кристалл становится проводящим.