AATOMI JA TUUMAFÜÜSIKA

1. AATOMI JA TUUMAFÜÜSIKA 12. KL

2. Mikro ja makro

3. Mikro ja makro1 Mikromaailma all tuleb mõista aine elementaarosakesi ja nendega toimuvaid füüsikalisi protsesse. Vastav füüsikaosa kannab nimetust mikrofüüsika. Teadusharu on tekkinud 20. Sajandil. Eelduseks oli radioaktiivsuse, aatomi ja tuuma avastamine. Põhiliseks uurimismeetodiks on siin kaudne katse. Makromailm on see, mida me oma meeltega vahetult tajume. Selles maailmas kehtib klassikaline füüsika oma seadustega. Alused pärinevad 17. Sajandist.

4. Aatomi ehitus ja kvantfüüsika Aatom sarnaneb Päikesesüsteemile. Seda mudelit kutsutakse ka nn planetaarmudeliks. Mudel võeti kasutusele pärast aatomituuma avastamist 1911.a. Tuuma avastamine põhineb Rutherfordi katsel, mille käigus kiiritati õhukest kullalehte a-osakestega. Katse käigus avastati, et osad a-osakesed põrkusid plaadilt tagasi. Põrkumine oleks mõeldamatu, kui aatomi positiivne laeng jaguneks ühtlaselt üle terve ruumi.

5. Aatomi ehitus ja kvantfüüsika1 Ainuke seletus on, et positiivne laeng on koondunud elektronidest tuhandeid kordi massiivsemasse kompaktsesse tuuma Planetaarmudeli järgi kujutab aatom endast ~1023 korda vähendatud Päikesesüsteemi laadset moodustist. Seejuures on keskseks kehaks tuum, mille ümber tiirlevad elektronid. Kaudsetest eksperimentidest on teada saadud aatomi mõõtme suurusjärk ~10-8cm Tuuma mõõtme suurusjärk on aga veelgi väiksem ~10-13 cm. Elektroni vaadeldakse punktmassina. Tuumade koostisse kuuluvad positiivse laenguga prootonid ja laenguta neutronitest. Ainukesena on lihtsaima elemendi – vesiniku aatomi tuumas ainult 1 prooton. Prootoni laengu absoluutväärtus võrdub elektroni laengu absoluutväärtusega. See moodustab elementaarlaengu,mille väärtus on ~1,6*10-19 C.

6. Aatomi koostisosad. Prooton ja neutron on ligikaudu võrdse massiga, mis on 2000 korda suurem elektroni massist. Tavaolekus on aatom elektriliselt neutraalne. Seega peab prootonite arv tuumas ja teda ümbritsevate elektronide arv võrdne olema. Seda arvu nimetatakse laenguarvuks Z, mis on tähtsaim aatomit iseloomustav suurus. Vahemaad aatomi osakeste vahel on ülisuured, aatom sisaldab palju tühja ruumi.

7. Planetaarmudeli vastuolud. Päikesesüsteemi hoiavad koos gravitatsioonijõud. Aatomis toimib positiivselt laetud tuuma ja negatiivse laenguga elektronide vaheline tõmbejõud. Näiteks H aatomis on elektriline tõmbejõud gravitatsioonijõust ~1039 korda suurem. Päikesesüsteemi püsivuse tagab pidev liikumine. Samast lähtub ka aatomi planetaarmudel, oletades, et elektronide liikumine tuuma ümber teeb aatomi püsivaks. Lainefüüsikast on teada, et pöördliikumine on pöörlemistasandis vaadeldes võnkumine. Võnkuvad laengud kiirgavad aga energiat (samuti tekitab vees lainetuse võnkuv keha). Nii peaks elektroni liikumise energia lõpuks kuluma ja elektron peaks kukkuma tuuma. Arvestuste järgi peaks elektroni energia otsa saama 10-9 sekundiga. Vt. Joonist järgmisel slaidil.

8. Planetaarmudeli vastuolud1

9. Aatomite püsikindlus Tegelikkuses on aatomid väga püsiva struktuuriga moodustised. Isegi elektronide eemaldamine ei kahjusta aatomit. Esimesel võimalusel hangib ta ettejuhtuvad elektronid ja taastub esialgses kvaliteedis. Kaasaegse teaduse andmetel on meie universumi ainete liigitud väga rangelt paigas. Saab olla vaid üks järeldus: mikro-maailmas kehtivad seaduspärasused, mis ei sobi makro-maailma. Olulist informatsiooni kannab endas valgus – elektromagnetväljas leviv kiirgus.

10. Kokkuvõte 1 • Aatomituuma olemasolu näitas a-osakeste hajumine • Aatomi mõõtme suurusjärk on 10-10 m ja tuuma läbimõõt 10-15 m • Planetaarmudel põhineb Päikesesüsteemi struktuuril • Planetaarmudel ei seleta aatomite püsivust • Aatomite püsivuse selgitamiseks tuleb leida teistsugused füüsikaseadused, mis erinevad oluliselt makrofüüsika seadustest.

11. Spektrijooned ja energiatasemed. Elektrivoolu juhtimisel gaasi, hakkab see kiirgama valgust, mille spekter on joonspekter. See tähendab, et kiiratud valgus koosneb kindlatest lainepikkustest. Hõredates gaasides kiirgavad nõrgalt seotud aatomid ja joonspektrid on seega üksikute aatomite spektrid. Kindlale lainepikkusele vastab ka kindel kiirguse sagedus. (1) Joonspekter tähendab seda, et aatomid kiirgavad kindla energiaga footoneid. Footoni energiat saab arvutada eeskirjast (2) H=6,62*10-34 Js – Plancki konstant ja f – kvandi sagedus

12. Spektrijooned ja energiatasemed1 Kui aatom kiirgab kindla energiaga footoni, siis vastavalt energia jäävuse seadusele peab ta kaotama samasuure energiahulga. Mõningane sarnasus on trepist allaveereva keha potentsiaalse energia vähenemisel. Seega on aatomis ka elektronid kindlatel energeetiliste tasemetel. Vastavate energiatasemete muster on iseloomulik igale aatomitüübile – keemilisele elemendile. Elektroni üleminekul kõrgemalt energiatasemelt madalamale kiirgab aatom valguskvandi energiaga Kus E2 ja E1 on vastavate tasemete energiad. Energiat mõõdetakse erilistes ühikutes – elektronvoltides [eV]. Kehtib seos:

13. Energiatasemete skeem Kuulikese potentsiaalne energia trepil Energiatasemed aatomis

14. Ergastamine • Mehaanikakursusest on teada, et kehale potentsiaalse energia lisamiseks tuleb tööd tehes kehale juurde anda energiat. Sama kehtib ka aatomite puhul. Aatomile saab energiat juurde anda mitmel viisil: • Kiiritada aatomeid valgusega • Lastes kiiresti liikuvatel elektronidel põrkuda aatomitega • Ainet kuumutades • Kui juhtida külmast gaasist läbi valgust, siis tekib nn. neeldumisspekter. See koosneb tumedatest joontest,mis vastavad täpselt sama gaasi kiirgamisel tekkivatele heledatele joontele. Seega gaas neelab kiirgust samuti kindlate väärtuste kaupa, nagu kiirgab.

15. Vesiniku aatomi spekter. Vesinikuaatomi spektrijooned on rühmitunud seeriatesse. Igas seerias olevad jooned moodustavad koonduvaid jadasid. Seeriaid kirjeldab valem: n1 ja n2 on täisarvud, n1 on konstantne täisarv ja n2=n1+1, n1+2, … Vaata ka õpikust lk 14.

16. Seisulained Täisarvuliselt muutuvate suurustega puutume kokku ka makrofüüsikas. Pillikeele võnkumisel näiteks. Vaata ka joonist. Pillikeelt saab panna võnkuma täisarvudega määratud lainetena. See tähendab, et keele otsad ei saa võnkuda. Lained peavad mahtuma keele vabale osale. Seisulainetes tekivad võnkumised sõlmede vahele. Lained levivad keele kinnitusteni ja peegelduvad sellelt, tekitades interferentsi, mis omakorda tekitab nn. seisulained. Saavad tekkida ainult kindla pikkusega seisulained, mille pool lainepikkust mahub täisarv kordi keele pikkusele. Kõik teised võnkumised summutatakse kiiresti. Seisulained makromaailmas on oma diskreetsete väärtustega samuti hüppeliselt muutuvad füüsikalised protsessid. See moodustab silla mikro- ja makromaailma vahel.

17. Kokkuvõte 2 • Aatomite kiirgus- ja neeldumisspektrid on joonspektrid, seega võib aatom energiat omandada ja loovutada kindlate portsjonite kaupa. • Spektrijoonte asetuses on kindlad korrapärad • Vesiniku aatomi spektrijooned paiknevad koonduvate jadade seeriatena. Kõiki seeriaid kirjeldab Balmeri-Rydbergi valem

18. Elektroni lained Aatom meenutab seisulainetes võnkuvat pillikeelt. Spektrid kajastavad elektronide siirdeid energiatasemete vahel. Seisulainete olekus peaksid olema elektronid. Selleks peavad elektronidel olema laineomadused. Siiski on elektronil olemas seisumass, mis valgusosakesel puudub. Valgusosake – footon – ei saa kunagi peatuda, vaid peab liikuma pidevalt valguse kiirusega. Samas on valgusosakestel lisaks lainelistele omadustele ka osakestele iseloomulikud omadused. Hüpoteesi “kui on olemas seos lained-osakesed, siis peaks eksisteerima ka seos osakesed-lained” püstitas prantsuse füüsik Louis de Broglie. Laineomaduste kinnituseks on sellised nähtused nagu difraktsioon ja interferents. Kui elektron on laineliste omadustega, siis peaksid need nähtused ilmnema ka elektroni puhul. Elektronide lainelisi omadusi kinnitab nende difraktsioonipilt. Vt. Järgmine slaid.

19. Röntgenikiirte ja elektronide difraktsioonipildid A – röntgenkiirte difraktsioon, B – elektronide difraktsioonipilt. Elektronidel on lainelised omadused!

20. Elektroni laine olemus. Laine on millegi perioodilise muutumise levimine ajas ja ruumis.mis siiski lainetab elektronide juures? Katsest, mille kirjeldus paikneb õpikus leheküljel 19, järeldub, et lainefüüsika seadustele allub elektroni asumistõenäosus antud punktis. Seda teoreetilist konstruktsiooni nimetatakse ka tõenäosuslaineks. Need lained ei levi mingis konkreetses materiaalses keskkonnas. Laineprotsessi kirjeldavat matemaatilist avaldist nimetatakse lainefunktsiooniks, mida tähistatakse kreeka tähestiku tähega . Lainefunktsioon määrab osakese leiutõenäosuse antud kohal ja ajahetkel. Edaspidises tekstis nimetatakse osakese leiutõenäosust lihtsamalt leiulaineks. Laineid iseloomustatakse lainepikkusega. Vastava seose tuletas de Broglie ning see avaldub kujul 28.11

21. Mis lainetab elektronilaines? Lainetus on millegi perioodiline muutumine ajas ja ruumis. Veelaines lainetab veepind, helilaines õhu tihedus, valguslaines elektromagnetväli. Mis lainetab elektronilaines?

22. Mis lainetab elektronis1 • Eelmise slaidi fotojadast võib teha sellised järeldused: • See, et iga elektroni tabamus tekitab helendava punkti, näitab, et elektron ei muutu laineks vaid säilitab osakese omadused. • Fotojadas suureneb elektronide voo massiivsus järjest. Voo kasvades võib märgata, et elektronilaine ei määra iga üksiku elektroni liikumist rangelt. • Mida rohkem tabamusi, seda selgemalt rühmituvad tabamused interferentsitriipudesse. Kuna elektrone väljastati ühekaupa, pidi iga üksiku elektroniga kaasnev laine interfereeruma iseendaga. • Lainetaoline käitumine ilmneb ainult suure hulga elektronide korral. Kasutades tabamuste tiheduse analüüsimiseks tõenäosusteooriat, ilmnes, et iga mikroosakesega (s.h. elektroniga kaasnevad tõenäosuslained. Need lained ei eksisteeri mingis materiaalses keskkonnas. Kvantfüüsikas nimetatakse nende lainete ajalist muutumist kirjeldavat matemaatilist avaldist lainefunktsiooniks, mida on tavaks tähistada kreeka tähega . Seda tuntakse ka nn.psii-funktsioonina. Suuruse  väärtus antud ruumipunktis on osakese leiutõenäosus antud ajal ja kohal. Funktsioonil võib olla nii positiivne kui ka negatiivne väärtus koordinaatsüsteemist lähtudes. Negatiivsel tõenäosusel puudub mõte. Seega kasutatakse 2 funktsiooni – mis on osakese leiutõenäosus antud punktis ja antud ajahetkel. Seda funktsiooni nimetatakse ka leiulaineks. Vt. Näide õpikust lk 21.

23. Õpiku näide.

24. Röntgenikiirte lainepikkuse arvutus

25. Röntgenikiirte arvutus1.

26. Schrödingeri võrrand. Scrödingeri võrrand on mikromaailma e. kvantmehaanika põhivõrrand. Analoogiline võrrand on klassikalises mehaanikas Newtoni II seadus. F=m*a. Kui makrokeha asukoht, talle mõjuvad jõud ja kiirus on teada, siis saab NII seaduse abil määrata tema liikumisoleku. Scrödinger tugines üldisele lainevõrrandile. Tulemuseks saadud võrrand on diferentsiaalvõrrand (sisaldab tuletisi). Sellise võrrandi lahendid on funktsioonid – lainefunktsioonid. Võrrandi lihtsaim kuju, kui osake liigub üksnes piki x-telge:

27. Mikromaailma täpsuspiirangud. Osakese kirjeldamiseks kasutatavad suurused on paarikaupa täpsuslikus seoses. Kui ühe suuruse täpsust suurendada, kaotatakse teise suuruse täpsuses. Nii on näiteks osakese asukoha ja impulsiga. Täpsuspiirang tuleneb otseselt osakeste laineomadustest. Näiteks ei saa lühikesest helisalvestusest tehtudlühikese fragmendi alusel informatsiooni terve heliteose noodikirja kohta. Selleks sisaldab ülilühike fragment liialt vähe võnkeid – infoühikuid. Täpsuspiir on määratud seosega: See ongi täpsuspiirang energia ja ajavahemike jaoks. Sõnastatult kõlaks see nii: kui osake püsib mingil energiatasemel vaid ajavahemiku t, ei ole selle taseme energia E määratav täpsemalt, kui kusagil energialõigu E=h/ t piires. Sama piirang kehtib ka kiiruse (impulsi) ning koordinaadi puhul. p x=h. Täpsuspiirangud formuleeris saksa füüsik Werner Heisenberg. Tema järgi nimetatakse eeltoodud seoseid Heisenbergi relatsioonideks.

28. Mõõtmised mikro- ja makromaailmas Makromaailmas ei avalda mõõteriistad märgatavat mõju mõõdetavale suurusele, või seda mõju saab arvestada. Ampermeetriga täpselt mõõtes arvestatakse tema sisetakistust. Täppiskaalumisel arvestatakse kaalu mehaanilise süsteemi takistusest tulenevaid parandeid ja isegi keskkonnatingimusi. Sama tegevus viiakse läbi mistahes makroparameetri mõõtmisel. Kui mõõtmistäpsus pole probleemiks, jäetakse mõõteriista mõju arvestamata. Vajadusel viiakse mõõtmistesse sisse vajalikud parandid. Mikromaailmas ei saa isegi elektroni ja footoni vastasmõju arvestamata jätta. Nii peaks elektroni leidmiseks temalt hajuma vähemalt 1 footon, mis aga muudaks ka elektroni liikumise iseloomu. Kehtib nn. Nõiaring: mida täpsemalt tahame elektroni lokaliseerida, seda lühemalainelisem (suurema sagedusega) peab olema valgus. Seda enam aga elektroni häiritakse! Nii tekibki paradoks.

29. Potentsiaalibarjäär ja potentsiaaliauk Kui veerev kuulike kohtab oma teel kerget tõusu (pinnavolti), hakkab tema kiirus tõusul vähenema. Seejuures muutub tema kineetiline energia potentsiaalseks. Kui kuulikese algne kineetiline energia on suurem, kui voldi kõrgusega määratud potentsiaalne energia, siis veereb kuulike sellest üle. Vastasel juhul veereb tagasi, toimub peegeldumisele sarnane nähtus. Sellist mehaanilist pinnavolti nimetatakse energeetilisest seisukohast potentsiaali-barjääriks. Kui voldi kõrgus läheneb lõpmatusele, saadakse nn. Potentsiaalisein. Kui kuulike jääb kahe barjääri vahele, nimetatakse sellist situatsiooni potentsiaaliauguks. Mikromaailmas võivad potentsiaalibarjääre moodustada elektriväljad, kui nende tugevused jagunevad ruumis nii, et nad tõkestavad osakeste liikumist.

30. Tunneliefekt. Näiteks võib positiivse tuuma tõmbejõud tekitada potentsiaalibarjääri tuumast eemalduvale elektronile. Lõpmatult suurest potentsiaalibarjäärist ei saa elektron kuidagi üle. Tema leiulaine amplituud peab muutuma barjääril nulliks. Barjääri poole liikuv osake põrkub barjäärilt tagasi. Lõpliku barjääri kõrguse korral näitab Schrödingeri võrrand, et leiulaine ulatub ka barjääri sisse, kuigi kahaneb selles kiiresti. Piisavalt õhukese barjääri korral võib laine siiski läbida barjääri oluliselt kahanenud amplituudiga. See tekitab võimaluse, et osake võib ka barjääri ületamiseks ebapiisava energia korral osutuda teisel pool barjääri olevaks. See vastaks nagu tunneli tekkimisele. Tegelikkuses pole muidugi miskit tunnelit. On tegu vaid osakese laineliste omadustega seotud efektiga, kus laine suudab läbida barjääri ja kannab niimoodi ka osakese teisele poole barjääri. Situatsiooni nimetatakse “tunneliefektiks”. Näiteid: Radioaktiivne lagunemine, kus eralduvad a-osakesed, mis saavad väljuda tuumast tunnelleerudes. Väga tugevas elektriväljas võivad elektronid väljuda ka kuumutamata ja valgustamata metallist. See on tuntud nn. Külmemissiooni nime all. Elektrivälja tugevus peab seejuures olema üle 109V/m. Sellel nähtusel põhineb tunnelmikroskoobi töö.

31. Tunnelmikroskoop Tunnel-mikroskoobis skaneerib objekti pinda üliteravaks (tipus üksikaatomini) söövitatud metallteravik. Seadme tööpõhimõte meenutab merepõhja kaardistamist kajaloodi või nööri abil. Teravikule antakse objekti suhtes mõnevoldine negatiivne potentsiaal. Kui teraviku kaugus objektist on 0,1 – 1nm, siis hakkab see kiirgama elektrone. Tekib külm- e. autoemissioon. Seda võimaldab tunneliefekt.teravikku juhib arvuti poolt juhitav piesoelektrilisest materjalist kolmsõrmik. Piesoelektrikud on ained, mis elektriväljas muudavad pisut oma mõõtmeid ja liigutavad seetõttu nõela. Nii tagatakse pinna skaneerimine ja muutumatu kaugus uuritavast objektist. Tunnelivoolu muudab tugevalt vahekauguse muutumine. Skaneeritava pinna reljeef ilmub arvuti kuvarile. Tunnelmikroskoobi abil saab näha üksikaatomeid Järgmisel slaidil on kujutatud grafiidi kristallvõre tunnelmikroskoobi abil.

32. Grafiidi kristallvõre tunnelmikroskoobis.

33. Elektronilained aatomi orbiidil. Elektroni leiulained hoitakse aatomi juures elektriliste tõmbejõudude poolt. Kui elektron tiirleb orbiidil, siis peavad tema leiulained olema orbitaallained. Nii peavad orbitaallained sobituma orbitaalringile täisarvuliselt.

34. Bohri aatom. Elektron saab tuuma ümber tiirelda vaid kindlatel orbiitidel. Vastava seose tuletas intuitiivselt Taani füüsik Niels Bohr, kes sellel ajal ei teadnud midagi elektroni lainelistest omadustest. Soovides seletada aatomi püsivust ja spektraalseeriaid postuleeris (ld. k. postulare – nõudma), et lubatud orbiitidel, mille raadius rahuldab eelnevat seost elektronid ei kiirga vaatamata tiirlemisele ümber tuuma.(Bohri 1. Postulaat). See päästis planetaarse aatomimudeli.Bohri aatomimudelile andis lainelise sisu hiljem L. de Broglie Bohri teine postulaat väidab, et aatom kiirgab või neelab valgust ainult teatud üleminekutel lubatud orbiitide vahel. Seejuures kiiratakse või neelatakse footoneid energiaga hf=E2-E1, kus E2 on kõrgema ja E1 madalama taseme energia.

35. Vesiniku aatomi üleminekud.

36. Kvantfüüsika aatomipilt. Mõnede Schrödingeri võrrandi lahendeina saadud elektroni seisulained vesiniku aatomis on kujutatud selle slaidi alumises osas olevatel joonistel. Pildid on arvutustulemuste graafiline esitus. Kujutise heledus sümboliseerib elektroni leiutõenäosust vastavas ruumipunktis. Neid kujutisi nimetatakse ka elektronpilvedeks. Elektroni olekud määravad kolm kvantarvu n – peakvantarv l - orbitaalkvantarv ml – magnetkvantarv Elektroni keskmise kauguse tuumast määrab peamiselt peakvantarv

37. Elektroni spinn Aatomite spektrite eriti täpsel uurimisel selgus, et paljud spektrijooned on lõhestunud – moodustades nn.dublette. Nähtuse seletamiseks tuli senise 3 kvantarvule lisaks võtta kasutusele 4. Kvantarv, millel vatsavalt joonte kahestumisele võib olla 2 väärtust: +½ ja -½. Esmaselt seostati seda arvu elektroni pöörlemisega ümber oma telje. Hiljem see siiski kinnitust ei leidnud. Nimetus “spin – pöörlemine” siiski jäi. Väärtused oleksid tähistanud pöörlemist päri- ja vastupäeva. Spinn tähistab kaasajal siiski osakese magnetilisi omadusi. Footonil võib spinn olla ka täisarvuline – näiteks footonil. Spinni arvestatakse ka magnetnähtuste juures tekkivate pooluste juures.polaarsus magnetväljas on seotud raua aatomite elektronide spinniga. Kokkuvõttes määravad elektroni kvantseisundi kvantarvud: n – peakvantarv l - orbitaalkvantarv ml – magnetkvantarv s - spinn

38. Ainetevahelised seosed, tõrjutusprintsiip Keemiliste elementide aatomeid eristab laenguarv Z. Niipalju on prootoneid tuumas ja elektrone tuuma ümber. Tuumas eksisteerivad ka neutraalsed osakesed – neutronid, kuid nemad mõjutavad elemendi keemilisi omadusi nõrgalt. Elektroni koha aatomis määrab tema leiulaine, mille määravad kvantarvud. Tuumale lähimale põhiseisundile vastava leiulaine peakvantarv on n=1. Järgmistena kihistuvad ergastatud kvantseisundid, kus n=2, 3, … Kui selline seaduspära kehtiks kõikides teistes tuumades, oleksid elementide keemilised omadused sarnased. Tegelikkuses see nii pole. Mehaanikast on teada, et kehad püüdlevad minimaalse koguenergia poole. Samas ei saa aga kõik kehad minna minimaalsele energeetilisele tasemele, olles samal ajal ühes ja samas kohas. Sama printsiip kehtib ka mikromaailmas. Sõnastada võiks selle nii: samas aatomis ei saa olla samade kvantarvude komplektiga kahte elektroni. Selle printsiibi sõnastas Šveitsi füüsik Wolfgang Pauli, kelle järgi on seda printsiipi hakatud nimetama Pauli keeluprintsiibiks. Järgneval slaidil oleval joonisel on kujutatud Z=1-20 aatomite kihistumissüsteemid. Need on üksnes skemaatilised kujutised. Elementide keemilised ja füüsikalised omadused sõltuvad elektronide arvust väliskihis. See arv ühtib ka perioodsussüsteemi rühma numbriga, kuhu kuuluvad ka sarnased elemendid. Välimise kihi elektrone tuntakse ka valentselektronide nime all. Nende abil luuakse keemilised sidemed ja molekulid.

39. Aatomite skeemid.

40. Aatomikooslused – molekulid ja kristallid. Keemiline side tekib aatomite “annetamise” ja “ühistamise” teel. Näiteks NaCl moodustumine. Mõlemad aatomid suudavad kergesti muutuda ioonideks. Positiivse ja negatiivse iooni vahel tekib tõmbumine, mis moodustabki keedusoola molekuli. Tekib ioonside. Ioonsideme teke.

41. Vesinikumolekuli moodustumine. A – aatomid asuvad kaugemal. B - ühtepidi spinnid, mis keelavad ühinemise. C – Vastupidised spinnid lubavad ühinemise ja elektronpilved segunevad. Elektronide leiutõenäosus on suurim tuumade vahel, kuhu tõmbavad mõlemad tuumad. D – Skeem elektronide liikumisest tuumade ümber molekulis. Vesinikumolekuli moodustamisel ühistatakse kummagi aatomi elektronid ja need asuvad ühte leiulainesse. Spinnide vastassuunalisuse tingimus tugineb tõrjutusprintsiibile. Tekkinud aatomsidet nimetatakse kovalentseks sidemeks. Selle sidemega ainete hulk looduses on valdav.

42. Kristallid – supermolekulid. Kui keedusoola lahuses on piisav ioonide kontsentratsioon – on tegemist üleküllastatud lahusega – on suur tõenäosus ioonide kohtumiseks ja üha uute keemiliste sidemete tekkeks. Hakkab kasvama kristall. Sama protsess tekib ka sulatatud ainesse lastud madalamal temperatuuril oleva nn. Idukristalli korral. Nii kasvatatakse ka laserite töötavaks elemendiks olevate kristallide kasvatamisel. Kristallide omadused. Aatomid/ioonid on paigutunud kindlas korras ja moodustavad ruumvõre. (Vt. Slaidil vasakul olevat joonist.) Võrestruktuuri kinnitavad difraktsioonikatsed lühilaineliste kiirgustega – näiteks röntgenikiirgusega. Kaasajal on võimalik tunnelmikroskoopide abil muuta kristallvõre otseselt nähtavaks. Makroskoopiliste katsetena võiks vaadelda murdunud metalli pinda. Murdumine toimub mööda kristallvõre defektseid sidemeid. Loomulikult ei näe me murdumisel üksikute võreelementide piire vaid sarnase orientatsiooniga võremassiivide ühtseid pindu.

43. Kristallvõre – milleks? Ruumvõresse korrastuvad aatomid seepärast, et taolises asetuses on osakestekogumi potentsiaalne energia minimaalne. Potentsiaalse energia minimalismi printsiip kehtib laias ulatuses looduses. Kristallvõre on igal juhul füüsikaline mudel – idealiseering. Tegelikult esineb kristallides alati hälbeid korrapärast, mida nimetatakse võredefektideks. Defekte võivad põhjustada lisandid – üksikud vales kohas paiknevad ioonid või tühjad võresõlmed – vakantsid. Defektid mõjutavad oluliselt tahkiste (tahkete ainete) füüsikalisi (elektrilisi, optilisi jt. Omadusi. Lisandamine e. legeerimine kuulub paljude materjalide tootmise juurde. Nii saadakse roostevaba terast, lisades tavalisele terasele kroomi ja niklit. Tahkistefüüsikas tähistatakse lisandaineid keemilises valemis näiteks niimoodi ZnS:Cu Kristallid on tahkete ainete levinuim esinemisvorm, harva leidub looduses suuri monokristalle. Looduslikud monokristallid on vääriskivid, polükristalsed on metallid, liivakübemed, kivimid, maakoor. Metallides on kristalliks seondunud positiivsed ioonid, mida ühendavad kristalliseerumisel vabanenud elektronid. Selliste elektronide leiulaine hõlmab tervet kristalli. Leiulaine amplituud on seejuures suurem ioonide vahetus läheduses ja väiksem nendest kaugemal. See asjaolu põhjustabki metallides hea elektrijuhtivuse. Dielektrikutes jäävad elektronid seotuks aatomitega ja puuduvad vabad laengukandjad. Pooljuhtide korral on osad elektronid siirdunud kristalli ühisesse leiulainesse.

44. Metallid, pooljuhid ja dielektrikud. Kristallis on aatomitevahelised kaugused väikesed ja seega nendevaheline vastasmõju tugev. Spektrite uurimine on kinnitanud, et energiatasemete pilt muutub võrreldes vabade aatomitega. Välimiste kihtide energiatasemete vahemaa suureneb elektrilise vastasmõju tõttu, moodustades niiviisi nn. energiatsoone. Kui kristalliks ühineb N aatomit, siis hargneb iga tase tsoonis N alamtasemeks. Alatasemete täitmisel kehtib ikkagi energia miinimum-printsiip koos Pauli tõrjutusprintsiibiga. Vasakul oleval joonisel on visandatud 6 aatomi energiatasemetehargnemine tsooniks. Juhul A on aatomi kõrgemail hõivatud tasemel 1 elektron. Tõrjutusprintsiip lubab tsooni igale alatasemele asuda 2 vastasspinnidega elektronil, jääb kõrgeim tsoon pooleldi tühjaks. Osalise hõivatusega tsoonid võivad tekkida ka tsoonide Energiatasemete teisenemine tsoonideks aatomite liitumisel kristallideks. Joonisel on tähistatud: P – aatomi energeetiline põhitase, E – põhitasemele järgnev ergastustase, E – keelutsoon e. keelupilu. osalisel kattumisel (kristallide moodustumine) metallide korral. Poolikult täidetud tsoonide elektronid moodustavad liikumisvõimelise elektrongaasi. Juhul B on kõrgemal hõivatud tasemel 2 elektroni. See vastab mittemetallidele. Kõrgeim tsoon on täis ja see vastab dielektrikutele ning pooljuhtidele. Laineomadus ei luba elektronil omandada energiaid,mis jäävad E vahemikku. See on keelutsoon. Keelutsoonile järgneb juhtivustsoon, mis on täitmata. Hõivatud tsooni nimetatakse valentstsooniks, kuna see täitub valentselektronidega.

45. Juhtivuse ja mittejuhtivuse põhjused. Pooljuhte eristab mittejuhtidest keelutsooni laius. Kui see on suhteliselt kitsas (1eV), on tegu pooljuhiga, laia keelutsooni (5-10eV) korral on tegemist dielektrikuga. Elektrivool on laengukandjate suunatud liikumine. Tahkistes on sellisteks laengukandjateks elektronid. Elektrivälja poolt antavat energiat saavad elektronid juurde võtta ainult siirete kaudu vabadele kõrgematele energiatasemetele – tsooni asustamata alamtasemetele. Metalli korral on pooltäidetud nii juhtivus kui ka valentstsoon, on piisavalt nii elektrone kui ka vabu alamtasemeid, mille arvel energia saab kasvada. See tagab juhtivuse. Dielektriku korral on juhtivustsoon tühi ja energiaruumi piisavalt kuid seal puuduvad elektronid, mis saaksid liikuma hakata. Valentstsoonis on elektrone, kuid puuduvad vabad alamtasemed, et elektronid saaksid liikuda. Pooljuhi keelutsoon on suhteliselt kitsas. Osad valentselektronid saavad soojusliikumise energia arvelt ületada keelutsooni ja siirduda juhtivustsooni. Seal on ka vabu tasemeid, mille abil saab tekitada väli laengute liikumist. Soojusliikumine pole piisav tekitamaks elektronide massilist keelutsooni ületamist. Seepärast on pooljuhtide elektrijuhtivus oluliselt väiksem juhtide omast. Kuna osa elektrone asuvad juhtivustsoonis, siis jääb ka valentstsooni vabu alamtasemeid “auke”. Neid täites pääsevad elektronid liikuma. Valentsitsoon tekitab ka nn aukjuhtivust. Aatomid haaravad oma naabrite elektrone. Lisaks elektronidele osutuvad pooljuhtides laengukandjateks ka nn augud e. positiivselt laetud aatomid. Mõlemaid juhtivustüüpe kasutatakse pooljuhtseadistes. Elektroni ja augu ühinemist nimetatakse rekombinatsiooniks.

46. Pooljuhtide liike, soojuse ja valguse mõju tahkistele Mida kõrgem on pooljuhi temperatuur, seda rohkem elektrone satub juhtivustsooni ja rohkem auke jääb valentstsooni. Pooljuhtide juhtivus kasvab temperatuuri tõustes hüppeliselt. Pooljuhte saab kasutada termoandurites – termistorides, mis on eriti tundlikud ja kiire reaktsiooniajaga. Metallides laengukandjate arv ei muutu, kuid kiirenenud soojusliikumine suurendab märgatavalt metalli takistust elektrivoolule. Pooljuhtides korvab laengukandjate lisandumine soojusliku mõju. Pooljuhis tekivad vabad laengukandjad ka valguse toimel. Selleks peab valgustava kiirguse footonite energia ületama keelutsooni laiuse. Joonisel tähistab seda lai punane nool. See on nn. Sisefotoefekt e. fotojuhtivus,mis leiab rakendust fototakistites. Nähtava valguse lainepikkus on vahemikus 400-700nm ja vastavate footonite energia 3,1 – 1,8 eV. Toodud energiavahemikust piisab siireteks metallide (2-3eV) pooltühjas juhtivustsoonis tasemete vahel. Energia on piisav ka pooljuhi 1eV vahemiku ületamiseks. Küll ei piisa sellest aga dielektrikute 5 –10 eV keelutsooni ületamiseks. Vt. Joonis slaidil 45. Metallide vabad elektronid pole mitte ainult voolukandjad vaid ka toimetavad edukalt aines edasi soojusenergiat. Kuna elektronid dielektrikutes puuduvad, on need ka nii elektri- kui ka soojusisolaatorid. Metallid seevastu aga juhivad mõlemat ühtviisi hästi.

47. Juhtivuse erijuhud ja mõjutamine. Lisandjuhtivus, doonorid ja aktseptorid. Pooljuhi juhtivust saab suurendada kristalliseerumise ajal temasse väikeses koguses lisandainete viimise teel. Viies germaaniumi (4 väliselektroni, neljavalentne) arseeni (5- valentne) aatomeid, jääb keemiliste sidemete moodustumisel 1 elektron üle ja saadakse valdavalt elektronjuhtivusega pooljuht e. n-tüüpi pooljuht. Elektrone loovutav lisand kannab nimetust “Doonor” – andja. Kui pooljuht sisaldab lisandit, mille aatomitel on 1 väliselektron vähem kui põhiaine aatomitel, saame aukjuhtivusega pooljuhi, mida nimetatakse ka p- tüüpi pooljuhiks. Vastavat lisandit tuntakse “Aktseptorina” – võtja. Aktseptor võtab naaberaatomitelt elektroni ja tekitab elektronkattesse augu, mis soojusliikumise toimel siirdub valentstsooni.

48. Kokkuvõte. • Kristallides muunduvad aatomite väliselektronide energiatasemed mitme eV laiusteks energiatasemeteks, mille hõivamisel kehtib tõrjutusprintsiip üle terve kristalli. • Metallides on kõrgeim hõivatud energiatsoon ainult osaliselt täidetud elektronidega. See põhjustab metallide hea juhtivuse. Elektronid saavad võtta elektriväljalt energiat ja selle arvel liikuda. • Dielektrikutes on kõrgeim energiatsoon - valentsitsoon elektronidega täidetud, liikumisvabadus puudub ja voolu ei teki. • Tavatemperatuuril kannab soojusliikumine elektrone üle kitsa keelutsooni kõrgemale juhtivustsooni. Valentsitsooni jäävad augud. Auk imiteerib positiivset laengukandjat. • Dielektrikus on keelutsoon lai (5-10eV) ja soojusenergiast ei piisa juhtivuselektronide tekitamiseks. • Pooljuhtide elektrijuhtivust tõstab lisandite kasutamine. Need on doonor- ja aktseptorlisandid, mis vastavalt lisavad või haaravad valentselektrone põhiaine aatomitest.

49. Diood Kõik pooljuhtseadmed omavad kihilist struktuuri. Pooljuhtaine kihid on difundeerunud üksteisega. Difusioonipiirkonda nimetatakse pn-siirdeks. Ühe siirdega erineva juhtivusega pooljuhtainest moodustatud liitstruktuur ongi diood. Diood toimib voolule ventiilina. Ühes suunas juhib selline seade voolu hästi,teises suunas peaaegu üldse mitte. Tõkkekihi tekkimine. P-pooljuhis on palju auke, n-pooljuhis aga elektrone. Laengukandjate erinevus hakkab läbi siirde rekombineeruma. Siirdealas jäävad n-poolele positiivsed ioonid ja p-poolde negatiivsed aktseptori ioonid. Nende laengut ei tasakaalusta enam lahkunud elektronid ega augud. Kaksikkihi elektriväli hakkab ülevalguvaid laengukandjaid tagasi tõrjuma, kuni tekib tasakaal.

50. P-N siirde juhtimine. Välise vooluallikaga saab tekkinud potentsiaalibarjääri tõsta või langetada. Kui dioodile rakendada päripinge (vt. Joonist), siis töötab väline elektrijõud siirdele vastu ja dioodi läbib normaalne pingega võrdeline vool. Vastupinge korral tugevdab väline väli sisemist tõkkevälja ja vool kahaneb nullilähedaseks. Vahelduvvoolu ahelas hakkab diood seega alaldama vahelduvvoolu ja tekitab sellest pulseeriva ühesuunaliste vooluimpulsside jada. Vooluimpulsse saab tasandada filtritega,näiteks konden-saatoritega.