Sự dẫn điện trong kim loại  (Page 2/3)

Phương pháp khảo sát này căn cứ trên định luật bảo toàn lượng. Để dễ hiểu, ta xét thí dụ sau đây:

Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song bằng kim loại cách nhau 5 Cm. Anod A có hiệu điện thế là –10V so với Catod K. Một điện tử rời Catod K với năng lượng ban đầu Ec=2eV. Tính khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời Catod.

Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M có hoành độ là x. Điện thế tại điểm M sẽ tỉ lệ với hoành độ x vì điện trường giữa Anod và Catod đều.

Điện thế tại một điểm có hoành độ x là:

$V=\mathrm{\alpha x}+\beta$

Khi x=0, (tại Catod) $\Rightarrow V=0\Rightarrow \beta =0$

Nên $V=\mathrm{\alpha x}$

Tại x=5 Cm (tại Anod A) thì V=-10volt $\Rightarrow \alpha =-2$

Vậy V=-2x (volt) với x tính bằng Cm

Suy ra thế năng tại điểm M là:

$U=\text{QV}\text{=+}2\text{.}e\text{.}x(\text{Joule})$ với e là điện tích của điện tử.

Ta có thể viết $U=2\text{.}x(\text{eV})$

Năng lượng toàn phần tại điểm M là:

$T=\frac{1}{2}{\text{mv}}^2+U$

Năng lượng này không thay đổi. Trên đồ thị, T được biểu diễn bằng đường thẳng song song với trục x.

Hiệu $T-U=\frac{1}{2}{\text{mv}}^2$ là động năng của điện tử. Động năng này tối đa tại điểm O (Catod) rồi giảm dần và triệt tiêu tại điểm P có hoành độ x0. Nghĩa là tại điểm x0, điện tử dừng lại và di chuyển trở về catod K. Vậy x0 là khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời xa Catod.

Tại điểm M (x=x0) ta có:

T-U=0

Mà T=+Ec (năng lượng ban đầu)

T=2.e.V

Vậy, U=2.x0 (eV)

=>2-2.x0=0=>x0=1Cm

Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng với năng lượng toàn phần có sẵn T, điện tử không thể vượt qua rào thế năng U để vào phần có gạch chéo.

Ta thấy rằng nếu biết năng lượng toàn phần của hạt điện và sự phân bố thế năng trong môi trường hạt điện, ta có thể xác định được đường di chuyển của hạt điện.

Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp trên để khảo sát sự chuyển động của điện tử trong kim loại.

Thế năng trong kim loại:

Nếu ta có một nguyên tử duy nhất  thì điện thế tại một điểm cách  một khoảng r là:

$V=\frac{k}{r}+C$

Nếu chọn điện thế tại một điểm rất xa làm điện thế Zero thì C=0. Vậy một điện tử có điện tích –e ở cách nhân  một đoạn r sẽ có thế năng là:

$U=-\text{eV}=-\frac{\text{ke}}{r}$

Hình trên là đồ thị của thế năng U theo khoảng cách r. Phần đồ thị không liên tục ứng với một điện tử ở bên trái nhân . Nếu ta có hai nhân  và  thì trong vùng giữa hai nhân này thế năng của điện tử là tổng các thế năng do  và  tạo ra. Trong kim loại, các nhân được sắp xếp đều đặn theo 3 chiều. Vậy, ta có thể khảo sát sự phân bố của thế năng bằng cách xét sự phân bố dọc theo dải ,  và ...

Hình trên biểu diễn sự phân bố đó.

Ta thấy rằng có những vùng đẳng thế rộng nằm xen kẻ với những vùng điện thế thay đổi rất nhanh. Mặt ngoài của mỗi kim loại không được xác định hoàn toàn và cách nhân cuối cùng một khoảng cách nhỏ. Vì bên phải của nhân  không còn nhân nên thế năng tiến tới Zero chứ không giữ tính tuần hoàn như bên trong kim loại. Do đó, ta có một rào thế năng tại mặt ngoài của kim loại.

Ta xét một điện tử của nhân  và có năng lượng nhỏ hơn U0, điện tử này chỉ có thể di chuyển trong một vùng nhỏ cạnh nhân giữa hai rào thế năng tương ứng. Đó là điện tử buộc và không tham gia vào sự dẫn điện của kim loại. Trái lại, một điện tử có năng lượng lớn hơn U0 có thể di chuyển từ nguyên tử này qua nguyên tử khác trong khối kim loại nhưng không thể vượt ra ngoài khối kim loại được vì khi đến mặt phân cách, điện tử đụng vào rào thế năng. Các điện tử có năng lượng lớn hơn U0 được gọi là các điện tử tự do. Trong các chương sau, ta đặt biệt chú ý đến các điện tử này.