9.S: Física da Matéria Condensada (Resumo)
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Termos-chave
| impureza aceitadora | átomo substituído por outro em um semicondutor que resulta em um elétron livre |
| amplificador | dispositivo elétrico que amplifica um sinal elétrico |
| corrente base | corrente extraída do material base do tipo n em um transistor |
| Teoria do BCS | teoria da supercondutividade baseada em interações elétron-retícula-elétron |
| cúbico centrado no corpo (BCC) | estrutura cristalina na qual um íon é cercado por oito vizinhos mais próximos localizados nos cantos de uma célula unitária |
| tensão de ruptura | em um diodo, a tensão de polarização reversa necessária para causar uma avalanche de corrente |
| corrente coletora | corrente extraída do coletor de material tipo p |
| banda de condução | acima da banda de valência, a próxima banda disponível na estrutura de energia de um cristal |
| Par Cooper | par de elétrons acoplados em um supercondutor |
| ligação covalente | ligação formada pelo compartilhamento de um ou mais elétrons entre átomos |
| campo magnético crítico | campo máximo necessário para produzir supercondutividade |
| temperatura crítica | temperatura máxima para produzir supercondutividade |
| densidade de estados | número de estados quânticos permitidos por unidade de energia |
| camada de esgotamento | região próxima à junção p-n que produz um campo elétrico |
| energia de dissociação | quantidade de energia necessária para separar uma molécula em átomos; além disso, energia total por par de íons para separar o cristal em íons isolados |
| impureza do doador | átomo substituído por outro em um semicondutor que resulta em um orifício eletrônico livre |
| doping | alteração de um semicondutor pela substituição de um tipo de átomo por outro |
| velocidade de deriva | velocidade média de uma partícula em movimento aleatório |
| transição de dipolo elétrico | transição entre os níveis de energia provocada pela absorção ou emissão de radiação |
| afinidade eletrônica | energia associada a um elétron aceito (ligado) |
| densidade do número de elétrons | número de elétrons por unidade de volume |
| banda de energia | banda quase contínua de níveis de energia eletrônica em um sólido |
| lacuna de energia | lacuna entre as faixas de energia em um sólido |
| distância de separação de equilíbrio | distância entre átomos em uma molécula |
| simetria de troca | como uma função de onda total muda sob a troca de dois elétrons |
| cúbico centrado na face (FCC) | estrutura cristalina na qual um íon é cercado por seis vizinhos mais próximos localizados nas faces das faces de uma célula unitária |
| Energia Fermi | maior energia preenchida por elétrons em um metal em\(\displaystyle T=0K\) |
| Fator Fermi | número que expressa a probabilidade de que um estado de determinada energia seja preenchido |
| Temperatura de Fermi | temperatura efetiva de elétrons com energias iguais à energia de Fermi |
| configuração de polarização direta | configuração de diodo que resulta em alta corrente |
| modelo de elétron livre | modelo de um metal que vê os elétrons como um gás |
| furo | estados desocupados em uma faixa de energia |
| hibridização | mudança na estrutura energética de um átomo em que estados mistos energeticamente favoráveis participam da ligação |
| átomo de impureza | átomo de impureza aceitador ou doador |
| faixa de impureza | nova banda de energia criada por doping de semicondutores |
| ligação iônica | ligação formada pela atração de Coulomb de íons positivos e negativos |
| transistor de junção | válvula elétrica baseada em uma junção p-n-p |
| treliça | arranjo regular ou arranjo de átomos em uma estrutura cristalina |
| Constante de Madelung | constante que depende da geometria de um cristal usada para determinar a energia potencial total de um íon em um cristal |
| transportadora major | elétrons livres (ou buracos) contribuídos por átomos de impureza |
| transportadora minoritária | elétrons livres (ou buracos) produzidos por excitações térmicas ao longo da lacuna de energia |
| semicondutor tipo n | semicondutor dopado que conduz elétrons |
| junção p-n | junção formada pela união de semicondutores do tipo p e n |
| semicondutor tipo p | semicondutor dopado que conduz furos |
| molécula poliatômica | molécula formada por mais de um átomo |
| constante de repulsão | parâmetro experimental associado a uma força repulsiva entre íons tão próximos que o princípio de exclusão é importante |
| configuração de polarização reversa | configuração de diodo que resulta em baixa corrente |
| nível de energia rotacional | nível de energia associado à energia rotacional de uma molécula |
| regra de seleção | regra que limita as possíveis transições de um estado quântico para outro |
| semicondutor | sólido com uma lacuna de energia relativamente pequena entre a faixa mais baixa completamente preenchida e a próxima banda não preenchida disponível |
| cúbico simples | estrutura cristalina básica na qual cada íon está localizado nos nós de uma grade tridimensional |
| supercondutor tipo I | elemento supercondutor, como alumínio ou mercúrio |
| supercondutor tipo II | composto ou liga supercondutora, como um metal de transição ou um elemento da série de actinídeos |
| banda valence | faixa de energia mais alta que é preenchida na estrutura de energia de um cristal |
| van der Waals Bond | ligação formada pela atração de duas moléculas eletricamente polarizadas |
| nível de energia vibracional | nível de energia associado à energia vibracional de uma molécula |
Equações-chave
| Energia eletrostática para distância de separação de equilíbrio entre átomos | \(\displaystyle U_{coul}=−\frac{ke^2}{r_0}\) |
| Mudança de energia associada à ligação iônica | \(\displaystyle U_{form}=E_{transfer}+U_{coul}+U_{ex}\) |
| Campo magnético crítico de um supercondutor | \(\displaystyle B_c(T)=B_c(0)[1−(\frac{T}{T_c})^2]\) |
| Energia rotacional de uma molécula diatômica | \(\displaystyle E_r=l(l+1)\frac{ℏ^2}{2I}\) |
| Energia rotacional característica de uma molécula | \(\displaystyle E_{0r}=\frac{ℏ^2}{2I}\) |
| Energia potencial associada ao princípio de exclusão | \(\displaystyle U_{ex}=\frac{A}{r^n}\) |
| Energia de dissociação de um sólido | \(\displaystyle U_{diss}=α\frac{ke^2}{r_0}(1−\frac{1}{n})\)\ ( |
| Momento de inércia de uma molécula diatômica com massa reduzida\(μ\) | \(\displaystyle I=μr^2_0\) |
| Energia eletrônica em um metal | \(\displaystyle E=\frac{π^2ℏ^2}{2mL^2}(n^2_1+n^2_2+n^2_3)\) |
| Densidade eletrônica dos estados de um metal | \(\displaystyle g(E)=\frac{πV}{2}(\frac{8m_e}{h^2})^{3/2}E^{1/2}\) |
| Energia Fermi | \(\displaystyle E_F=\frac{h^2}{8m_e}(\frac{3N}{πV})^{2/3}\) |
| Temperatura de Fermi | \(\displaystyle T_F=\frac{E_F}{k_B}\) |
| Efeito Hall | \(\displaystyle V_H=uBw\) |
| Corrente versus tensão de polarização na junção p-n | \(\displaystyle I_{net}=I_0(e^{eV_b/k_BT}−1)\) |
| Ganho atual | \(\displaystyle I_c=βI_B\) |
| Regra de seleção para transições de energia rotacional | \(\displaystyle Δl=±1\) |
| Regra de seleção para transições de energia vibracional | \(\displaystyle Δn=±1\) |
Resumo
9.1 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.
- Os átomos usam uma combinação linear de funções de onda na ligação com outras moléculas (hibridização).
9.2 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.
9.3 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.
9.4 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\(\displaystyle T=0K\).
- As energias permitidas dos elétrons livres em um metal dependem da massa eletrônica e da densidade do número de elétrons do metal.
- A densidade dos estados de um elétron em um metal aumenta com a energia, porque há mais maneiras de um elétron preencher um estado de alta energia do que um estado de baixa energia.
- O princípio de exclusão de Pauli afirma que apenas dois elétrons (spin up e spin down) podem ocupar o mesmo nível de energia. Portanto, ao preencher esses níveis de energia (do menor para o maior em\(\displaystyle T=0K\)), o último e maior nível de energia a ser ocupado é chamado de energia de Fermi.
9.5 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.
9.6 Semicondutores e doping
- A estrutura de energia de um semicondutor pode ser alterada substituindo um tipo de átomo por outro (doping).
- O doping semicondutor do 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.
9.7 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.
9.8 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.