Лекционный комплекс и Методические рекомендации по изучению дисциплины а основные понятия и термины по Курсу (стр. 5 из 8)
и 
Сравнивая число электронов
в кристалле с числом элементарных квантовых состояний 
в зоне , во многих случаях можно предсказать свойства твердого тела.Вещества, в которых на элементарную ячейку приходится один свободный электрон
и по (4.8) 
, являются металлами, так как электроны заполняют половину зоны. К ним относятся одновалентные щелочные металлы Li, Na, K, Rb, Cs и благородные металлы Cu, Ag, Au. Зона проводимости указанных металлов заполнена наполовину.Вещества, в которых на элементарную ячейку приходится нечетное число электронов, также будут металлами, как и в предыдущем случае. К ним относятся металлы Al, Ga, In, Tl, в которых на один атом приходится три электрона
. При этом валентная энергетическая зона заполнена полностью, а зона проводимости - наполовину.Вещества, в которых на элементарную ячейку приходится четное число электронов, не обязательно будет изоляторами, так как энергетические зоны, как мы уже видели, могут перекрываться.
Элементы As, Sb, Bi, в которых на элементарную ячейку приходится по два атома, а каждый атом имеет пять электронов, представляют собой полуметаллы.
Все двухвалентные вещества - металлы с хорошей проводимостью, за исключением Sr и Br, которые являются плохими проводниками из-за слабого перекрытия зон.
Четырехвалентный углерод существует или в виде алмаза, со столь широкой запрещенной зоной, что его практически можно считать изолятором или в виде графита, являющегося полуметаллом. Кремний и германий - типичные полупроводники. Олово в одной фазе представляет собой металл, а в другой - полупроводник. Свинец - типичный металл.
Основываясь на термодинамическом определении, химический потенциал для электронной системы равен среднему вероятностному изменению энергии системы при изменении числа частиц на единицу, то есть на один электрон. При температуре Т=0, если добавить в собственный полупроводник один электрон (dN=1), то он займет наинизшее свободное энергетическое состояние с энергией
. В то же время при уменьшении числа частиц на единицу (dN=-1), энергия системы уменьшится на 
. Таким образом, среднее изменение энергии системы при 
будет равно 
. Поэтому, независимо от различия эффективных масс, при Т=0 химический потенциал всегда лежит точно в середине запрещенной зоны.задания для самоконтроля:
1) Скорость электрона
2) Обратная эффективная масса
3) Электронная зонная структура
4) металлов,
5) полупроводников,
6) диэлектриков.
Литература: [1-12], ДЛ [1-12]
Занятие 9
Тема лекции: Магнитные свойства вещества.
Цель лекции: Выявить механизмы возникновения диамагнетизма
Вопросы к лекции:
1 Атом как маленький магнит
2 Свойства диамагннетиков
Тезисы лекционного занятия:
Известно, что магнитные свойства атома определяется в основном магнитном свойствами электронов, т.к. магнетизм других его частиц (протонов, нейтронов, составляющих ядро) очень мал. Поэтому, прежде всего, необходимо рассмотреть магнитные свойства изолированного электрона, а затем магнетизм электронных оболочек.
Под действием магнитного поля напряженностью H орбита электрона параллельна, следовательно, магнитный момент, представляющий собой вектор, перпендикулярный плоскости орбиты, начинают прецессировать вокруг внешнего поля. Это периодическое стационарное движение электрона также квантовано, т.е. a - угол между плоскостью орбиты и направлением напряженности поля H принимает дискретные значения. При этом квантуется проекция магнитного момента на направление внешнего поля
где m - магнитное квантовое число, которое может принимать как положительные, так и отрицательные целочисленные значения, включая нуль.
В 1925 г. Гаудсмит и Юленбек высказали предположение о том, что электрон помимо заряда и массы обладает собственным моментом количества движения и соответствующим ему моментом S. Это свойство электрона назвали спином, потому что согласно классической физике спиновые свойства электрона можно объяснить вращением его вокруг своей оси (от английского to spin - вращаться). Как впоследствии было установлено, спин свойственен всем микрочастицам.
Проекция магнитного момента атома на направление магнитного поля может иметь (2 J+1) различных значений.
В зависимости от ориентации орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов величина может либо равняться нулю, либо быть отличной от нуля, что существенно сказывается на магнитных свойствах веществ. Магнитный момент ядра в 103 раз меньше магнитных моментов электронов, и при рассмотрении большинства вопросов теории магнетизма им пренебрегают.
Диамагнетики обладают малой и отрицательной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Векторы
и 
антипараллельны, т.е. тело намагничивается а направлении, противоположном направлению поля.Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этотр момент направлен навстречу внешнему полю. Т.о., следует предположить, что диамагнетизм присущ всем веществам. Это подтверждается экспериментально, однако в тех случаях, когда диамагнитные свойства перекрываются более "сильными" эффектами (пара- или ферро магнетизмом), диамагнетизмом тела можно пренебречь. В чистом виде диамагнетизм можно наблюдать в веществах , у которых атомы в отсутствии внешнего поля обладают равным нулю магнитным моментом. К диамагнетикам относятся благородные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Pb, Zn, Cu, Ag и др.) и полупроводники (Se, Si, Ge).
задания для самоконтроля:
1) Магнитное поле в магнетиках
2) Магнитные свойства твердых тел
3) Магнитные свойства атомов
4) Природа диамагнетизма
Литература: [1-12], ДЛ [1-12]
Занятие 10
Тема лекции:Парамагнетизм
Выявить механизмы возникновения парамагнетизма
Вопросы к лекции:
1 Парамагнетизм
2 Закон Кюри – Вейса
Тезисы лекционного занятия:
Парамагнетики обладают сравнительно небольшой и положительной величиной cм и намагничиваются в направлении внешнего магнитного поля. С увеличением напряженности поля H намагниченность парамагнетика возрастает практически линейно, однако при больших значениях H и при низких температурах она достигает насыщения MS (рис.142).
В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако, из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнтная восприимчивость сильно зависит от To K. для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется закону Кюри-Вейса (рис.143).К числу парамагнетиков относится кислород, окись азота, щелочные и щелочно-
земельные металлы (Al, Ca, Cr, Na, Mg, Ta, Pt), некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлементов.
задания для самоконтроля:
1) Явление парамагнетизма
2) Особенности парамагнетизма
3) Закон Кюри – Вейса
4) Вещества относящиеся к парамагнетикам
Литература: [1-12], ДЛ [1-12]
Занятие 11
Тема лекции: Ферромагнетизм, ферриты
Цель лекции: Выяснить что лежит в основе данного явления
Вопросы к лекции:
1 Ферромагнетики
2 Ферриты, общее и различное в строении
Тезисы лекционного занятия:
Ферромагнетики представляют собой особую группу веществ с большой положительной
величиной магнитной восприимчивости, зависящей не только от напряженности поля, но и от "предыстории", т.е. от предварительного намагничивания вещества ((Fe, Co, Ni), (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) повышением напряженности внешнего магнитного поля намагниченность ферромагнетика быстро возрастает, однако при больших напряженностях H она достигает насыщения (рис.144 а), причем на наиболее крутом участке характеристики увеличение намагниченности происходит не плавно, а мелкими скачками (эффект Баркгаузена).