макроскопических объектов

Квантовая механика явилась массивным инвентарем теоретического исследования электронных, оптических и других параметров реальных макроскопических объектов. В согласовании с квантово-механическими представлениями электроны в атомах могут находиться на полностью определенных «орбитах», соответственных разным значениям возможной энергии взаимодействия этих электронов с положительно заряженными ядрами. При всем этом речь как и раньше идет не о макроскопических объектов традиционных орбитах, представляющих из себя замкнутые линии движения в пространстве, а о «размазанных облаках вероятности» нахождения электронов, которые описываются квадратом модуля Y - функции. Потому что возможная энергия свободного, т.е. находящегося на большенном расстоянии от ядра электрона считается равной нулю, то возможная энергия связанных с ядром электронов макроскопических объектов является отрицательной (напомним, что возможная энергия численно равна работе по перемещению заряда, в этом случае отрицательного, из данной точки места в бесконечность). Эти вероятные значения энергии En, (n = 1, 2, ...) электронов в атоме можно отложить на вертикальной оси, как показано на рис.7.5,а. Необходимо подчеркнуть, что по сути каждой энергии макроскопических объектов Еn соответствует не одно, а несколько вероятных состояний, отличающихся конфигурацией Y - функций. Только «ближайшее» к ядру состояние с малой энергией Е1 является одиночным, ему соответствует сферически симметричная Y-функция. Уже последующему состоянию с энергией Е2 соответствуют две разные Y-функции: одна - сферически-симметричная, а модуль другой имеет вид «бублика макроскопических объектов» и т.д.

Эти вероятные состояния заполняются электронами очень своеобразно. Оказывается, что электроны кроме массы и электронного заряда владеют очередной физической чертой - спином, который можно было бы представить для себя как «вращение» электрона вокруг своей оси, если б такое представление не было настолько вызывающе противоречащим предположению о «точечной» структуре электрона. Все же макроскопических объектов спин имеет размеренность момента импульса - кг (м/с) м = Дж × с, а его численное значение для электрона равно h/2, где h - неизменная Планка. В связи с этим электроны относятся к простым частичкам с «полуцелым» спином либо фермионам (потому что квантово-статистические закономерности их поведения описываются функцией рассредотачивания Ферми макроскопических объектов-Дирака, в отличие от бозонов - частиц с «целым» спином, подчиняющихся квантовой статистике Бозе-Эйнштейна). Для фермионов справедлив базовый принцип Паули, в согласовании с которым в одном квантовом состоянии не может находиться более 2-ух частиц с обратными направлениями спинов. Потому если атом содержит несколько электронов, то они распределяются по различным энергетическим макроскопических объектов уровням, поочередно заполняя вероятные состояния, начиная с «нижнего», наиблежайшего к ядру. К примеру, на нижнем энергетическом уровне Е1 могут находиться только два электрона, спины которых обратны, на последующем уровне - с энергией Е2 - восемь электронов и т.д. Как понятно, конкретно такое наполнение электрических оболочек обусловливает хим характеристики атомов макроскопических объектов и их размещение в таблице Менделеева.

б)
а)

Рис.7.5. Образование энергетических зон в кристалле

Таким макаром, можно сказать, что хим, электронные, оптические и другие характеристики атомов являются следствием, с одной стороны, дискретной структуры электрических оболочек и, с другой стороны, принципа Паули, определяющего «правила» наполнения этих оболочек электронами.

Рассмотренная квантовая структура макроскопических объектов атомов отлично разъясняет характеристики соответственных газов. При сближении атомов и молекул, когда вещество перебегает в конденсированное состояние (жидкое, жесткое), поведение электронов уже нельзя обрисовать дискретными энергетическими состояниями. Очень полезным в данном случае оказывается представление об энергетических зонах, которые идеальнее всего осознать на примере атомных кристаллов.

Если атомы, владеющие макроскопических объектов дискретным энергетическим диапазоном (т.е. дискретными электрическими «орбитами»), размещаются на определенных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку, то «глубокие» электрические «орбиты», находящиеся поближе всего к ядру, обычно, не пересекаются, а находящиеся на их электроны остаются «привязанными» каждый к соответственному ядру. В то же время более удаленные от ядра «орбиты» начинают макроскопических объектов пересекать друг дружку, так что находящиеся на этих «орбитах» электроны становятся «общими» для всех ядер, для всего кристалла в целом. При всем этом на энергетической диаграмме заместо 1-го дискретного уровня возникает целая зона вероятных значений энергии (см. рис. 7.5,б). Чем посильнее пересекаются дискретные уровни атомов, образующих макроскопических объектов кристалл, тем обширнее энергетическая зона. И если для низколежащих уровней получающиеся «разрешенные» зоны энергий оказываются разбитыми «запрещенными» зонами, то для удаленных от ядра уровней надлежащие зоны могут начать перекрываться, образуя сплошной энергетический диапазон.

Как дискретные «орбиты» отдельных атомов, так и энерго зоны в кристалле - это только вероятные состояния электронов макроскопических объектов. Наполнение этих состояний осуществляется в согласовании с принципом Паули, так что часть зон возможно окажется заполненной на сто процентов, часть - отчасти, а часть остаться вообщем без электронов. Характеристики кристалла определяются тем, как заполнена электронами последняя из непустых энергетических зон. Если она заполнена вполне и разделена от последующей за ней пустой зоны довольно макроскопических объектов широким (³2 эВ) энергетическим промежутком (нелегальной зоной), то таковой кристалл ведет себя как неплохой изолятор, не пропускающий электронный ток. Если же нелегальная зона довольно узенькая (£ 2 эВ), то кристалл становится полупроводником, электронная проводимость которого очень находится в зависимости от температуры. В конце концов, если последняя непустая зона заполнена отчасти, то макроскопических объектов кристалл является неплохим проводником электронного тока.

Вопросы для самопроверки:

1. С решением какой физической задачи связано возникновение квантовой концепции?

2. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

3. Какие постулаты были положены Н.Бором в базу его теории атома?

4. Какой физический смысл имеет введенная Э.Шредингером Y-функция наночастицы?

5. Что такое принцип неопределенности макроскопических объектов Гейзенберга?

6. С какими квантовыми принципами связаны главные характеристики вещества?


majkl-chabon.html
majkl-felps-esli-zhenyus-pervoj-ob-etom-uznaet-gazeta-trud-rossijskaya-blagotvoritelnost-v-zerkale-smi.html
majkl-ouen-reshil-perekvalificirovatsya-v-zhokeya-rossijskaya-blagotvoritelnost-v-zerkale-smi.html