9: Física da matéria condensada
- Page ID
- 182771
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
Neste capítulo, examinamos as aplicações da mecânica quântica a sistemas mais complexos, como moléculas, metais, semicondutores e supercondutores. Nós revisamos e desenvolvemos conceitos dos capítulos anteriores, incluindo funções de onda, orbitais e estados quânticos. Também introduzimos muitos novos conceitos, incluindo ligação covalente, níveis de energia rotacional, energia de Fermi, bandas de energia, doping e pares de Cooper.
- 9.1: Prelúdio da física da matéria condensada
- Durante séculos, os sólidos cristalinos foram valorizados por sua beleza, incluindo gemas como diamantes e esmeraldas, bem como cristais geológicos de quartzo e minérios metálicos. Mas as estruturas cristalinas de semicondutores como o silício também possibilitaram a indústria eletrônica atual. Neste capítulo, estudamos como as estruturas dos sólidos lhes conferem propriedades desde resistência e transparência até condutividade elétrica.
- 9.2: Tipos de ligações moleculares
- As moléculas se formam por dois tipos principais de ligações: a ligação iônica e a ligação covalente. Uma ligação iônica transfere um elétron de um átomo para outro, e uma ligação covalente compartilha os elétrons. A mudança de energia associada à ligação iônica depende de três processos principais: a ionização de um elétron de um átomo, a aceitação do elétron pelo segundo átomo e a atração de Coulomb dos íons resultantes. Ligações covalentes envolvem funções de ondas simétricas espaciais.
- 9.3: Espectros moleculares
- As moléculas possuem energia vibracional e rotacional. As diferenças de energia entre os níveis de energia vibracional adjacentes são maiores do que aquelas entre os níveis de energia rotacional. A separação entre picos em um espectro de absorção está inversamente relacionada ao momento de inércia. As transições entre os níveis de energia vibracional e rotacional seguem as regras de seleção.
- 9.4: Ligação em sólidos cristalinos
- As estruturas de embalagem de sais iônicos comuns incluem FCC e BCC. A densidade de um cristal está inversamente relacionada à constante de equilíbrio. A energia de dissociação de um sal é grande quando a distância de separação do equilíbrio é pequena. As densidades e os raios de equilíbrio dos sais comuns (FCC) são quase os mesmos.
- 9.5: Modelo eletrônico livre de metais
- Os metais conduzem eletricidade, e a eletricidade é composta por um grande número de elétrons que colidem aleatoriamente e aproximadamente livres. Os estados de energia permitidos de um elétron são quantizados. Essa quantização aparece na forma de energias eletrônicas muito grandes, mesmo em\(T = 0 \space K\). As energias permitidas dos elétrons livres em um metal dependem da massa eletrônica e da densidade do número de elétrons do metal.
- 9.6: Teoria de bandas de sólidos
- Os níveis de energia de um elétron em um cristal podem ser determinados resolvendo a equação de Schrödinger para um potencial periódico e estudando as mudanças na estrutura de energia do elétron à medida que os átomos são unidos à distância. A estrutura de energia de um cristal é caracterizada por faixas de energia contínuas e lacunas de energia. A capacidade de um sólido de conduzir eletricidade depende da estrutura de energia do sólido
- 9.7: Semicondutores e doping
- A estrutura de energia de um semicondutor pode ser alterada substituindo um tipo de átomo por outro (doping). A dopagem semicondutora tipo n cria e preenche novos níveis de energia logo abaixo da banda de condução. O doping semicondutor tipo p cria novos níveis de energia logo acima da banda de valência. O efeito Hall pode ser usado para determinar a carga, a velocidade de desvio e a densidade do número do portador de carga de um semicondutor.
- 9.8: Dispositivos semicondutores
- Um diodo é produzido por uma junção n-p. Um diodo permite que a corrente se mova em apenas uma direção. Na configuração de polarização direta de um diodo, a corrente aumenta exponencialmente com a tensão. Um transistor é produzido por uma junção n-p-n. Um transistor é uma válvula elétrica que controla a corrente em um circuito. Um transistor é um componente crítico em amplificadores de áudio, computadores e muitos outros dispositivos.
- 9.9: Supercondutividade
- Um supercondutor é caracterizado por duas características: a condução de elétrons com resistência elétrica zero e a repelência de linhas de campo magnético. É necessária uma temperatura mínima para que a supercondutividade ocorra. Um forte campo magnético destrói a supercondutividade. A supercondutividade pode ser explicada em termos de pares de Cooper.
Miniatura: Estrutura do cristal de diamante. O único átomo de carbono representado pela esfera azul escura está covalentemente ligado aos quatro átomos de carbono representados pelas esferas azuis claras.