Atomun Yapısı
Resim 1: Bohr’un atom modeline göre bir helyum atomunun yapısı
Resim 1: Bohr’un atom modeline göre bir helyum atomunun yapısı
Atomun Yapısı
Fizikte atomik yapı hakkındaki fikirler kadar değiştirilebilir hiçbir şey yoktur. Çeşitli fiziksel etkileri açıklamak için, hepsi tam doğru olmayan, ancak bu açıklama için yeterli olan modeller kullanılır.
Bir atom esas olarak elektron, proton ve nötronlardan meydana gelir. Bir elemanda bulunan elektron, proton ve nötronlar bir başka elemanda bulunanlar ile aynıdır. Değişik elemanlar arasındaki fark, bu elemanlarda bulunan elektronların ve protonların sayıları ve dizilişi ile ilgilidir.
Elektron bir küçük negatif elektrik yüküne sahiptir. Protonda ise, elektronun sahip olduğu elektrik yüküyle aynı büyüklükte, fakat zıt kutba sahip bir pozitif yük bulunur. Proton elektronla aynı büyüklükte elektrik yüküne sahip olmasına rağmen, kütlesi elektronunkinden 1827 kat daha büyüktür. Birçok atomda nötron denen, kütlesi protonunkine yakın büyüklükte, elektrik yükü bulunmayan parçacıklar da vardır.
Bohr’un atomik modeline göre, bu elektronlar, protonlar ve nötronlar minyatür bir güneş sistemine benzer biçimde düzenlenmiştir. Resim. 1 de bir helyum atomuna bakalım: İki adet pozitif yüklü proton ve iki adet nötronun bulunduğu çekirdek etrafında dönen iki adet negatif yüklü hafif elektronlar hep birlikte bir atomu oluşturur. Bununla birlikte, bu elektronların yörüngesi, resimde göründüğü kadar kesin değildir. Elektronlar atom çekirdeğine yörünge denen belirli bir uzaklıkta bulunurlar ve protonların merkezcil kuvvetini („centripetal force“) yenmeye yeten bir merkezkaç kuvveti (centrifugal force) yaratacak bir hızla dönerler. Elektronlar bulundukları seviyede kalabilmeleri için belirli bir miktar potansiyel enerjiye sahip olmaları gerekir. Elektronlar çekirdekten daha uzak farklı bir enerji seviyesine geçmek için, uzay gemilerinde olduğu gibi, bir ilave enerjiye ihtiyaç duyarlar. Atom çekirdeği etrafında dönen bir elektronun bir belirli yörüngede dönebilmesi için bir belirli kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Bu enerjiye elektronun enerji seviyesi denir. Çok uzak bir yörüngedeki bir elektronun, çekirdeğe daha yakın bir yörüngeye inmesi sırasında enerjisini salması gerekir. Tam tersine daha uzak, yani bir üst yörüngeye çıkabilmesi için bir enerjiyi alması gerekir.
Bununla birlikte bir atom çekirdeği etrafında dönen elektronların yörüngeleri hiç bir zaman rasgele değildir, aksine bu aralık, tanımlanmış enerji seviyesi ile belirlenir. Bu değişik enerji seviyeleri, çekirdeğin etrafında dönen birbirine geçmiş farklı büyüklüklerde kabuklar (shells) gibi düşünülebilir. Bu kabuklar ve bu kabuklarda mümkün olabilen elektronların sayısı Pauli dışarlama (exclusion) prensibi ile belirlenir. Bu prensibe göre; elektron kabuklarında bulunan aşağıdaki elektron sayıları enerji seviyesini belirler:
Resim 2: Bohr’un atom modeline göre bir bakır atomunun yapısı
|K-kabuğu||2 elektron||(n=1)|
|L-kabuğu||8 elektron||(n=2)|
|M-kabuğu||18 elektron||(n=3)|
|N-kabuğu||32 elektron||(n=4)|
Çizelge 1: Kabuklarda bulunması mümkün olabilen elektron sayıları
Genel olarak, ana kuantum sayısı n olan bir kabuk 2·22 adet elektronla tam olarak doldurulabilir. Örneğin 2. kabukta, 2·22 yani, 8 elektron doldurulabilir. Önceleri sadece biçimsel bir sınıflandırma sistemi olarak bakılan elemanların periyodik sistemi artık Bohr atom modeli sayesinde fiziksel olarakta açıklanabiliyor.
Bantlar modeli
Bir atomik kabuğa dizilmiş elektronların tümü bir belirli enerji seviyesine sahiptir. Atom çekirdeğinden uzaklaşıldıkça bir elektronun enerji seviyesi artar. Bir elektron enerjisini elektrik alanları, ısı veya ışık olarak alabilir. Eğer elektronların enerji seviyeleri, bu elektronları yörüngede kalmasını sağlayan çekirdeğin pozitif yükünden daha büyük ise, bu elektronlar atomdan koparlar ve serbest iletimli elektronlar haline gelirler. Bu değerlik elektronları (valence electrons) olarakta anılan kabuk, elektronlarına göre çok daha fazla enerjiye sahiptir.
aralığı
Resim 3: Bir yarıiletkenin enerji bant modeli (katkısız yarıiletken)
aralığı
Resim 3: Bir yarıiletkenin enerji bant modeli (katkısız yarıiletken)
Elektriksel iletim olaylarını, elektronların mümkün olan değişik enerji durumlarının yer aldığı bir enerji şeması ile açıklayabiliriz. Değerlik elektronları değerlik bandında, iletim elektronları ise iletim bandında bulunurlar. İki bant arasındaki enerji farkına bant aralığı adı verilir.
Değerlik elektronlarının kopabilmesi için gerekli olan bir en küçük enerji nedeniyle, bir normal kafesten gelen hareketli yük taşıyıcılarının E enerjisi, EV değerlik bandı ve EL iletim bandı arasındaki bölgede yer alması mümkün değildir. Bu enerji bölgesine „yasak bölge“ (forbidden zone) denilir.
İletim bandı ve değerlik bandına ait enerji şeması yardımıyla elektriksel iletim olaylarını açıklayan modele bantlar-modeli denilir.
bölge
Resim 4: Değişik malzemelerin bantlar-modeli
bölge
Resim 4: Değişik malzemelerin bantlar-modeli
Yalıtkanlarda bant aralığı çok geniştir. Bant aralığı arttıkça, bir değerlik elektronunun bir serbest iletim elektronuna dönüşebilmesi için daha fazla enerji gerekir. Yani, enerji arttıkça çok küçük bir akım için bile daha fazla enerji gerektiğinden, yalıtkan o kadar daha iyi yalıtır. Yasak bölge keza çok geniştir.
Bir yarıiletkende ise bu yasak bölge biraz daha dardır. Bir miktar ısı enerjisi verilmesi bile bir akımın akmasını sağlar. Örneğin, germanyum yarıiletkende 50° sıcaklık belirgin bir akımın akmasını sağlamak için yeterlidir.
Son şemada bir iletkenin değerlik bandının iletim bandıyla örtüştüğü görülüyor. Pratikte hiçbir yasak bölge yoktur. Ufak bir enerji uyartımı değerlik elektronlarını iletim elektronlarına dönüştürebilir. Bu nedenle bu elemanlar iyi bir elektriksel iletkendir.