محاضرة فيزياء المواد (محاضرة 10) PDF

Document Details

ImprovingCrocus

Uploaded by ImprovingCrocus

جامعة الطائف

الدكتور محمد أحمد الجلالي

Tags

فيزياء المواد شرائط الطاقة الكترونيات فيزياء

Summary

هذه المحاضرة تُقدم شرحًا لمفهوم شرائط الطاقة في المواد الصلبة، وتناقش كيفية تداخل المستويات الذرية لتكوين المستويات الجزيئية، و تُبين دورية الجهد في البلورات المثالية.

Full Transcript

‫ﺍﻟﺩﻛﺗﻭﺭ ﻣﺣﻣﺩ ﺃﺣﻣﺩ ﺁﻟﺟﻼﻟﻲ – ﻗﺳﻡ ﺍﻟﻔﻳﺯﻳﺎء – ﻛﻠﻳﺔ ﺍﻟﻣﻌﻠﻣﻳﻥ – ﺟﺎﻣﻌﺔ ﺍﻟﻁﺎﺋﻑ‬ ‫ﺳﻠﺳﻠﺔ ﻣﺣﺎﺿﺭﺍﺕ ﻓﻳﺯﻳﺎء ﺍﻟﺟﻭﺍﻣﺩ )ﺍﻟﻣﺣﺎﺿﺭﺓ ﺍﻟﻌﺎﺷﺭﺓ(‬ ‫ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﺍﻟﺬﺭﻳﺔ ﻳﻨﺸﻄﺮ ﻛﻞ ﻣﻨﻬﺎ ﺇﻟﻰ ﻣﺴﺘﻮﻳﻴﻦ ﺃﻭ ﺃﻥ ﻛﻞ ﺫﺭﺓ ﺗﻘﺪﻡ ﻣﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﻁﺎﻗﺘﻬﺎ ﻟﺘﺸﻜﻞ ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﺍﻟﺠﺰﻳﺌﻴﺔ ‪،‬ﻭﻓﻲ ﺣﺎﻝ ﺛﻼﺛﺔ ﺫﺭﺍﺕ‬ ‫ﻓﺎﻥ ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻱ ﺍﻟﺬﺭﻱ ﻳﺼﺒﺢ ﺛﻼﺛﺔ ﻣﺴ...

‫ﺍﻟﺩﻛﺗﻭﺭ ﻣﺣﻣﺩ ﺃﺣﻣﺩ ﺁﻟﺟﻼﻟﻲ – ﻗﺳﻡ ﺍﻟﻔﻳﺯﻳﺎء – ﻛﻠﻳﺔ ﺍﻟﻣﻌﻠﻣﻳﻥ – ﺟﺎﻣﻌﺔ ﺍﻟﻁﺎﺋﻑ‬ ‫ﺳﻠﺳﻠﺔ ﻣﺣﺎﺿﺭﺍﺕ ﻓﻳﺯﻳﺎء ﺍﻟﺟﻭﺍﻣﺩ )ﺍﻟﻣﺣﺎﺿﺭﺓ ﺍﻟﻌﺎﺷﺭﺓ(‬ ‫ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﺍﻟﺬﺭﻳﺔ ﻳﻨﺸﻄﺮ ﻛﻞ ﻣﻨﻬﺎ ﺇﻟﻰ ﻣﺴﺘﻮﻳﻴﻦ ﺃﻭ ﺃﻥ ﻛﻞ ﺫﺭﺓ ﺗﻘﺪﻡ ﻣﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﻁﺎﻗﺘﻬﺎ ﻟﺘﺸﻜﻞ ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﺍﻟﺠﺰﻳﺌﻴﺔ ‪،‬ﻭﻓﻲ ﺣﺎﻝ ﺛﻼﺛﺔ ﺫﺭﺍﺕ‬ ‫ﻓﺎﻥ ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻱ ﺍﻟﺬﺭﻱ ﻳﺼﺒﺢ ﺛﻼﺛﺔ ﻣﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﻣﻨﻔﺼﻠﺔ ﻗﺮﻳﺒﺔ ﺟﺪﺍ ﻣﻦ ﺑﻌﻀﺎﻫﺎ ﺍﻟﺒﻌﺾ ﻭﻫﻜﺬﺍ ﻧﺠﺪ ﺃﻧﻔﺴﻨﺎ ﺃﻣﺎﻡ ﻋﺪﺓ ﻣﺴﺘﻮﻳﺎﺕ ﻟﻬﺎ ﻋﺮﺽ‬ ‫ﻳﺘﻨﺎﺳﺐ ﻣﻊ ﻋﺪﺩ ﺍﻟﻤﺲﺕﻭﻳﺎﺕ ﺍﻟﻄﺎﻗﻴﺔ ﻧﺴﻤﻲ ﻫﺬﺍ ﺍﻟﻌﺮﺽ ﺑﺸﺮﻳﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ)‪. (Energy band‬‬ ‫ﺃﻱ ﺃﻧﻪ ﻛﻠﻤﺎ ﺍﻧﻀﻤﺖ ﺫﺭﺓ ﺗﻀﺎﻑ ﺳﻮﻳﺔ ﻁﺎﻗﺔ ﻣﺰﺩﻭﺟﺔ ﻟﻜﻞ ﺳﻮﻳﺔ ﻣﻦ ﺍﻟﺴﻮﻳﺎﺕ ‪ 1s,2s,2p…..‬ﻓﻔﻲ ﺣﺎﻝ ‪ N‬ﺫ ﺭﺓ ﻓﺈﻥ ﻛﻞ ﺳﻮﻳﺔ ﻁﺎﻗﺔ ﺫﺭﻳﺔ‬ ‫ﺗﻨﺸﻄﺮ ﺇﻟﻰ ‪ N‬ﺳﻮﻳﺔ ﻓﺮﻋﻴﺔ ﻣﺘﻘﺎﺭﺑﺔ ﻟﺪﺭﺟﺔ ﺃﻧﻪ ﻳﻤﻜﻦ ﺍﻋﺘﺒﺎﺭﻫﺎ ﻣﺴﺘﻤﺮﺓ ﻭﺗﺸﻜﻞ ﺍﻟﺸﺮﻳﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﻲ ﺑﺪﻻ ﻣﻦ ﺍﻟﻤﺴﺘﻮﻱ ﺍﻟﻄﺎﻗﻲ ﻓﻲ ﺍﻟﺬﺭﺓ‬ ‫ﺍﻟﻤﻌﺰﻭﻟﺔ ﻭﺍﻥ ﺷﺮﻳﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﺳﻴﺤﻮﻱ )‪ 2N(2Ɩ+1‬ﺳﻮﻳﺔ ﻁﺎﻗﺔ ﻛﻞ ﺳﻮﻳﺔ ﻁﺎﻗﺔ ﻓﻲ ﻫﺬﺍ ﺍﻟﺸﺮﻳﻂ ﺟﺎﻫﺰﺓ ﻻﺳﺘﻴﻌﺎﺏ ﺇﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﻭﺍﺣﺪ ﺣﺴﺐ ﻣﺒﺪﺃ‬ ‫ﺑﺎﻭﻟﻲ ﻓﻲ ﺍﻻﺳﺘﻴﻌﺎﺏ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻧﻲ ﺍﻟﺸﻜﻞ )‪.(1‬‬ ‫ﺇﻥ ﺍﻛﺒﺮ ﺍﺛﺮ ﻟﻠﺒﻠﻮﺭﺓ ﻋﻠﻰ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﻳﻜﻮﻥ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺘﻜﺎﻓﺆ ﻭﺗﻜﻮﻥ ﺷﺮﺍﺋﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﻟﻬﺬﻩ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺃﻋﺮﺽ ﺍﻟﺸﺮﺍﺋﻂ ﻭﺫﻟﻚ ﺑﻌﻜﺲ‬ ‫ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺪﺍﺧﻠﻴﺔ ﺍﻟﺘﻲ ﻻ ﺗﺘﺄﺛﺮ ﻛﺜﻴﺮﺍ ﺑﻮﺟﻮﺩ ﺍﻟﺬﺭﺍﺕ ﺍﻟﻤﺠﺎﻭﺭﺓ ﻭﺗﺒﻘﻰ ﺷﺮﺍﺋﻂ ﻁﺎﻗﺘﻬﺎ ﺿﻴﻘﺔ ‪.‬ﻭﻣﻦ ﺍﻟﻤﻬﻢ ﺟﺪﺍ ﺃﻥ ﻧﻼﺣﻆ ﺃﻧﻪ ﺷﺮﺍﺋﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﻫﺬﻩ ﻫﻲ‬ ‫ﺍﻟﺸﺮﺍﺋﻂ ﺍﻟﻤﺴﻤﻮﺣﺔ ﻟﺘﻮﺍﺟﺪ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﻓﻴﻬﺎ ﺃﻣﺎ ﺍﻟﻔﺎﺻﻞ ﺑﻴﻦ ﺷﺮﻳﻄﻴﻦ ﻓﺎﻧﻪ ﻳﻤﺜﻞ ﻣﺠﺎﻻﺕ ﺃﻭ ﻓﻮﺍﺻﻞ ﻣﻤﻨﻮﻉ ﻋﻠﻰ ﺍﻹﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﺍﻟﺘﻮﺍﺟﺪ ﺑﻬﺎ ﻭﺗﺴﻤﻰ‬ ‫ﺑﺎﻟﻔﻮﺍﺻﻞ ﺍﻟﻤﻤﻨﻮﻋﺔ)‪ (forbidden bands‬ﺃﻭ ﻓﻮﺍﺻﻞ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ )‪. (Energy Gaps‬‬ ‫ﻭﻫﻜﺬﺍ ﻓﺎﻥ ﻁﻴﻒ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﻓﻲ ﺍﻟﺠﻮﺍﻣﺪ ﻳﺘﺄﻟﻒ ﻣﻦ ﻣﺠﻤﻮﻋﺔ ﻣﻦ ﺷﺮﺍﺋﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﺍﻟﻤﺴﻤﻮﺡ ﻟﻺﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﺍﻟﺘﻮﺍﺟﺪ ﺑﻬﺎ ﺗﻔﺼﻞ ﺑﻴﻨﻬﺎ ﻓﻮﺍﺻﻞ ﻁﺎﻗﺔ ﻻ ﻳﻤﻜﻦ ﺃﻥ‬ ‫ﺗﺸﻐﻠﻬﺎ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺗﺴﻤﻰ ﻓﻮﺍﺻﻞ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ‪.‬ﺇﻥ ﻣﻘﺪﺍﺭ ﺍﻻﻧﺸﻄﺎﺭ ﻳﻌﺘﻤﺪ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﻤﺴﺎﻓﺎﺕ ﺑﻴﻦ ﻧﻮﻯ ﺍﻟﺬﺭﺍﺕ ﻭﻛﻠﻤﺎ ﻛﺎﻥ ﺍﻻﻗﺘﺮﺍﺏ ﻛﺒﻴﺮﺍ ﻛﺎﻥ ﺍﻻﻧﺸﻄﺎﺭ ﺷﺪﻳﺪﺍ‬ ‫ﻭﻳﻜﻮﻥ ﺍﻟﺘﺄﺛﻴﺮ ﺍﻛﺒﺮ ﻋﻠﻰ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺨﺎﺭﺟﻴﺔ ﻣﻨﻪ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﺪﺍﺧﻠﻴﺔ ﺑﺴﺒﺐ ﺷﺪﺓ ﺍﺭﺗﺒﺎﻁ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺪﺍﺧﻠﻴﺔ‪ ،‬ﺃﻣﺎ ﺍﻟﺨﺎﺭﺟﻴﺔ ﻓﻴﻤﻜﻦ ﺃﻥ ﺗﺘﺪﺍﺧﻞ ﺍﻟﺸﺮﺍﺋﻂ‬ ‫ﻣﻊ ﺑﻌﻀﻬﺎ ﺍﻟﺒﻌﺾ ﻟﺘﺸﻜﻞ ﺷﺮﻳﻂ ﻭﺍﺣﺪ ﺍﻟﺸﻜﻞ)‪.(2‬‬ ‫‪.3‬ﺩﺍﻟﺔ ﺑﻠﻮﺥ )‪: (The Bloch Function‬‬ ‫)‪ U(r‬ﺩﻭﺭﻳﺔ ﻓﻲ ﺑﻠﻮﺭﺓ ﻣﺜﺎﻟﻴﺔ ﺗﻨﺠﻢ ﻋﻦ ﻣﺤﺼﻠﺔ‬ ‫ﻟﻤﻌﺎﻟﺠﺔ ﻣﺴﺄﻟﺔ ﺷﺮﺍﺋﻂ ﺍﻟﻄﺎﻗﺔ ﻻﺑﺪ ﻣﻦ ﺍﻟﻌﻮﺩﺓ ﺇﻟﻰ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺷﺮﻭﺩ ﻳﻨﺠﺮ ﺑﻮﺟﻮﺩ ﻁﺎﻗﺔ ﺟﻬﺪ‬ ‫ﺟﻬﺪﻳﻦ‪:‬‬ ‫ ﺟﻬﺪ ﺳﺎﻛﻨﺎ ﻳﻨﺘﺞ ﻋﻦ ﺻﻔﻮﻑ ﺍﻻﻳﻮﻧﺎﺕ ) ‪ (z‬ﺍﻟﻤﻮﺟﺒﺔ ﺍﻟﻤﺮﺗﺒﺔ ﺑﺸﻜﻞ ﻣﺜﺎﻟﻲ‪.‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪P‬‬ ‫ ﺟﻬﺪ ﻧﺎﺟﻢ ﻋﻦ ﻛﻞ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺨﺎﺭﺟﻴﺔ ﺍﻷﺧﺮﻯ )ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺘﻮﺻﻴﻞ(‪ ،‬ﻭﻳﻌﺘﺒﺮ ﺑﻠﻮﺥ ﺃﻥ ﻛﺜﺎﻓﺔ ﺍﻟﺸﺤﻨﺔ ﺍﻟﻮﺳﻄﻴﺔ ﻟﺘﻠﻚ‬ ‫ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺛﺎﺑﺘﺔ ﻭﻫﻲ ﻧﻔﺴﻬﺎ ﻓﻲ ﻛﻞ ﺧﻠﻴﺔ ﻣﻦ ﺧﻼﻳﺎ ﺍﻟﺒﻠﻮﺭﺓ ﺍﻟﺸﻜﻞ)‪.(3‬‬ ‫ﺍﻟﺩﻛﺗﻭﺭ ﻣﺣﻣﺩ ﺃﺣﻣﺩ ﺁﻟﺟﻼﻟﻲ – ﻗﺳﻡ ﺍﻟﻔﻳﺯﻳﺎء – ﻛﻠﻳﺔ ﺍﻟﻣﻌﻠﻣﻳﻥ – ﺟﺎﻣﻌﺔ ﺍﻟﻁﺎﺋﻑ‬ ‫ﺳﻠﺳﻠﺔ ﻣﺣﺎﺿﺭﺍﺕ ﻓﻳﺯﻳﺎء ﺍﻟﺟﻭﺍﻣﺩ )ﺍﻟﻣﺣﺎﺿﺭﺓ ﺍﻟﻌﺎﺷﺭﺓ(‬ ‫ﻭﻓﻘﺎ ﻟﻤﺎ ﺳﺒﻖ ﻳﻌﺘﺒﺮ ﺍﻟﺠﻬﺪ ﺩﻭﺭﻱ ‪،‬ﻭﻳﺘﻢ ﺣﻞ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺷﺮﻭﺩ ﻳﻨﺠﺮ ﻟﺠﺴﻴﻢ ﻭﺍﻗﻊ ﻓﻲ ﺑﺌﺮ ﺟﻬﺪ ﺫﻱ ﺍﺭﺗﻔﺎﻉ ﻣﺤﺪﻭﺩ‪،‬ﻭﻣﻨﻪ ﻳﻤﻜﻦ ﺃﻥ ﻧﻜﺘﺐ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺷﺮﻭﺩ ﻳﻨﺠﺮ‬ ‫ﺑﻌﺪ ﺍﻷﺧﺬ ﺑﺎﻟﺤﺴﺒﺎﻥ ﺩﻭﺭﻳﺔ ﺍﻟﺠﻬﺪ ﻭﻓﻘﺎ ﻟﻤﺎ ﻳﻠﻲ‪:‬‬ ‫)‪U(r‬‬ ‫)‪= U(r + T‬‬ ‫‪ˆ = Eψ‬‬ ‫‪Ηψ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪(−‬‬ ‫)‪+ U(r))ψ(r) =Eψ(r‬‬ ‫‪2m‬‬ ‫‪2m‬‬ ‫‪∇ 2 ψ(r) + 2 (E − U(r))ψ(r) =0‬‬ ‫)‪(1‬‬ ‫‪‬‬ ‫ﻭﻛﻤﺎ ﻧﻌﻠﻢ ﻣﻦ ﻣﻴﻜﺎﻧﻴﻜﺎ ﺍﻟﻜﻢ ﻓﺈﻥ ﺍﻟﻤﻌﺎﺩﻟﺔ ) ‪ (1‬ﺗﺨﻀﻊ ﻟﺤﺎﻟﺘﻴﻦ ﺍﻷﻭﻟﻰ ﻳﻜﻮﻥ ‪E>U‬ﻭﺗﺸﻤﻞ ﻓﻲ ﺣﺎﻟﺘﻨﺎ ﻫﺬﻩ ﺍﻻﻟﻜﺘﺮﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﺤﺮﺓ ﺍﻟﻤﻮﺟﻮﺩﺓ ﻓﻲ ﺍﻟﺸﺮﻳﻂ‬ ‫ﺍﻟﺨﺎﺭﺟﻲ)ﺷﺮﻳﻂ ﺍﻟﺘﻮﺻﻴﻞ ﻓﻲ ﺍﻟﻤﻌﺎﺩﻥ(‪ ،‬ﻭﺍﻟﺜﺎﻧﻴﺔ ﻳﻜﻮﻥ ‪ E

Use Quizgecko on...
Browser
Browser