Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Теперь становится очевидным, что в периодической таблице элементы расположены согласно размещению электронов на электронных оболочках их атомов.

Итак, теория электронных оболочек и подоболочек объяснила феномен периодической системы и свойства лантаноидов, однако модель атома Бора, даже модифицированную Зоммерфельдом, она спасти не смогла. Попытка ученых представить атом в виде совокупности ядра и вращающихся вокруг него по орбитам электронов (пусть даже и гораздо более сложным, чем у космических тел) окончилась полным провалом.

В начале 1920-х годов понятие орбиты было заменено понятием энергетического уровня. Электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, а разница между энергетическими уровнями определяет размер выделяемого или поглощаемого кванта (в данном случае частоту излучения).

В 1925 году немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) разработал систему численного обозначения энергетических полей. Все числа были внесены в матрицы, что давало возможность применять к ним правила матричной алгебры. Для точного расчета спектральных линий достаточно было лишь внести в матрицу данные об атоме (матричная механика). При таком подходе атом становился лишь набором цифр, и поэтому никакая модель атома вообще была не нужна.

Энергетические уровни простого атома можно изобразить несколькими простыми линиями на определенном расстоянии от схематического рисунка атомного ядра. Два электрона с противоположными спинами могут занимать любой энергетический уровень, а также переходить на любой другой свободный или частично свободный энергетический уровень, однако в промежутках между линиями электроны находиться не могут. Эти промежутки получили название запрещенная энергетическая зона. Конечно же размеры линий и промежутков для каждого элемента уникальны.

Все становится сложнее, когда два атома элемента располагаются в непосредственной близости. В этом случае внешние электронные уровни этих атомов сливаются в один. Соответственно относительно каждого атома количество электронов на внешнем уровне удваивается. Но так как на одном электронном уровне электроны с одинаковыми спинами находиться не могут, то внешние энергетические уровни этих атомов вместе со своими электронами немного отодвигаются друг от друга: один становится выше, другой — ниже.

Такой процесс особенно характерен для твердых веществ, где практически все атомы расположены близко друг к другу, то есть энергетические уровни твердых веществ — это уже не простые линии, а тесное скопление нескольких чуть отличных друг от друга линий. Это уже не энергетический уровень, а энергетическая зона. Электроны могут переходить из одной зоны в другую, но они не могут находиться в запрещенных энергетических зонах.

Если внешние энергетические уровни атомов твердых элементов заполнены полностью, то заполнена и энергетическая зона. В этом случае электроны не могут переходить из одного атома в другой, так как внешние энергетические уровни соседних атомов также заполнены. Такие вещества с фиксированным положением электронов в атомах не проводят электрический ток. Абсолютно не проводят ток, например, сера и кварц.

Если же внешние энергетические уровни заполнены не полностью, то энергетическая зона также заполнена не полностью, и электроны могут легко путешествовать из одного атома в другой по этим энергетическим уровням, а посредством этих свободных электронов такие вещества могут проводить электрический ток. Это свойство наиболее ярко выражено у серебра и меди.

Однако электрический ток проводят и некоторые вещества с полностью заполненной энергетической зоной. Дело в том, что над заполненной энергетической зоной существует еще одна, совершенно пустая зона, и под действием поглощаемой энергии электроны могут переходить из заполненной энергетической зоны в пустую. Здесь существует одно ограничение: ширина запрещенной энергетической зоны должна быть небольшая. Если же расстояние между энергетическими зонами велико, то вещество проводником не является.

У атомов некоторых элементов (например, кремния и германия) ширина запрещенной зоны относительно мала, что делает возможным переход электрона из одной зоны в другую. Такие элементы называются полупроводниками. С повышением температуры, то есть с увеличением количества энергии, возрастает и вероятность перехода электронов на зону выше. Таким образом, сопротивление полупроводника с повышением температуры падает (в отличие от металлов, так как в металлах с повышением температуры увеличивается частота колебаний атомов, что затрудняет переход электронов из одного атома в другой, то есть электрическое сопротивление металлов с ростом температуры повышается).

После некоторых изменений структуры этих элементов химические и физические свойства полупроводников оказались крайне полезными для человека.

Например, у германия, как и углерода, на внешней оболочке 4 электрона, каждый из которых может образовать общую электронную оболочку с одним электроном другого атома, таким образом образуются группы из четырех атомов. В этом случае все электроны закреплены на своих орбитах, поэтому германий практически не проводит ток.

Все это справедливо только в случае плотного прилегания атомов друг к другу. Но если кристалл германия неидеален, то отдельные атомы уже не могут образовывать общие электронные оболочки, и свободные электроны этих атомов способны проводить электрический ток.

Впрочем, практически все кристаллы германия содержат примеси. Если же специально добавить примесь, скажем, мышьяка, то полупроводниковые свойства германия возрастают. У атома мышьяка 5 электронов на внешней электронной оболочке, поэтому при соединении с германием только 4 из этих пяти электронов формируют общие орбиты с атомами германия, а оставшийся как раз и становится свободным электроном.

Под действием электрического тока свободные электроны внутри кристалла перемещаются от отрицательного электрода к положительному, так как электроны — отрицательно заряженные частицы. Такой полупроводник называется электронным, или полупроводником n-типа.

Теперь рассмотрим кристалл германия с примесью бора. У атома бора на внешней оболочке 3 электрона, каждый из которых формирует общие электронные оболочки с 3 атомами бора, а у четвертого на внешней электронной оболочке вместо электрона будет «дырка».

Под действием электрического тока в эту дырку попадает электрон, отталкиваемый отрицательным и притягиваемый положительным электродом. Заняв следующую дырку, электрон освобождает предыдущую, и получается, что сама дырка перемещается от положительного электрода к отрицательному, то есть движение дрейфующей дырки можно сравнить с поведением положительно заряженной частицы. Такой полупроводник называется дырочным полупроводником, или полупроводником p-типа.

Контролируя дрейф электронов внутри полупроводников, можно заменить устройствами на их основе вакуумные приборы. Так как в таких полупроводниковых устройствах вместо вакуума используются твердые вещества, их еще иногда называют твердотельными.