محاضرة فيزياء المواد (محاضرة 10) PDF
Document Details
Uploaded by ImprovingCrocus
جامعة الطائف
الدكتور محمد أحمد الجلالي
Tags
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