Номер 5, страница 402 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Электростатика. 15. Энергия электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Параграф 86. Электрическое поле в веществе - номер 5, страница 402.

Условие.

5. Сопоставьте энергии связи электрона с атомом проводника, полупроводника, диэлектрика.

Решение.

Энергия связи электрона с атомом в твердых телах определяет их электрические свойства и напрямую связана с зонной теорией. В частности, она коррелирует с шириной запрещенной зоны ($E_g$) — энергетического промежутка между валентной зоной (полностью или частично заполненной электронами) и зоной проводимости (свободной от электронов при абсолютном нуле температуры).

Проводники

В проводниках, которыми обычно являются металлы, валентные электроны очень слабо связаны со своими атомами. Они коллективизированы и образуют так называемый «электронный газ», свободно перемещающийся по всему кристаллу. Это объясняется тем, что валентная зона и зона проводимости у проводников перекрываются, и запрещенная зона фактически отсутствует ($E_g \approx 0$). Следовательно, для того чтобы электрон стал свободным носителем заряда, ему не требуется сообщать дополнительную энергию. Энергия связи электрона с атомом в проводнике является наименьшей.

Полупроводники

В полупроводниках (например, кремний, германий) электроны связаны с атомами прочнее, чем в проводниках. Между валентной зоной и зоной проводимости у них есть запрещенная зона, но ее ширина ($E_g$) относительно невелика (обычно в диапазоне $0.1 < E_g < 3$ эВ). При комнатной температуре некоторые электроны за счет тепловой энергии могут преодолеть этот барьер и перейти в зону проводимости, создавая небольшую электропроводность. Таким образом, энергия связи электрона в полупроводнике занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Диэлектрики

В диэлектриках (изоляторах), таких как стекло или алмаз, электроны очень сильно связаны со своими атомами. Ширина запрещенной зоны ($E_g$) у них очень велика (как правило, $E_g > 3$ эВ). Энергии теплового движения при обычных условиях совершенно недостаточно, чтобы перебросить электрон из полностью заполненной валентной зоны в пустую зону проводимости. Поэтому в диэлектриках практически отсутствуют свободные носители заряда. Энергия связи электрона с атомом в диэлектрике является наибольшей.

Ответ: Энергия связи электрона с атомом возрастает в ряду: проводники → полупроводники → диэлектрики. У проводников она минимальна (электроны практически свободны), у полупроводников имеет промежуточное значение (связь может быть разорвана при сообщении небольшой энергии), а у диэлектриков — максимальна (электроны прочно связаны с атомами). Это различие обусловлено шириной запрещенной зоны ($E_g$), которая практически равна нулю для проводников, невелика для полупроводников и велика для диэлектриков. Соотношение энергий связи ($E_{св}$) можно записать как: $E_{св}(проводник) < E_{св}(полупроводник) < E_{св}(диэлектрик)$.