AATOMI JA TUUMAF

1
AATOMI JA TUUMAFÜÜSIKA

• 12. KL

2
Mikro ja makro
3
Mikro ja makro1

• Mikromaailma all tuleb mõista aine
  elementaarosakesi ja nendega toimuvaid
  füüsikalisi protsesse. Vastav füüsikaosa kannab
  nimetust mikrofüüsika. Teadusharu on tekkinud 20.
  Sajandil. Eelduseks oli radioaktiivsuse, aatomi
  ja tuuma avastamine. Põhiliseks uurimismeetodiks
  on siin kaudne katse.
• Makromailm on see, mida me oma meeltega vahetult
  tajume. Selles maailmas kehtib klassikaline
  füüsika oma seadustega. Alused pärinevad 17.
  Sajandist.

4
Aatomi ehitus ja kvantfüüsika

• Aatom sarnaneb Päikesesüsteemile. Seda mudelit
  kutsutakse ka nn planetaarmudeliks. Mudel võeti
  kasutusele pärast aatomituuma avastamist 1911.a.
• Tuuma avastamine põhineb Rutherfordi katsel,
  mille käigus kiiritati õhukest kullalehte
  a-osakestega. Katse käigus avastati, et osad
  a-osakesed põrkusid plaadilt tagasi. Põrkumine
  oleks mõeldamatu, kui aatomi positiivne laeng
  jaguneks ühtlaselt üle terve ruumi.

5
Aatomi ehitus ja kvantfüüsika1
Ainuke seletus on, et positiivne laeng on
koondunud elektronidest tuhandeid kordi
massiivsemasse kompaktsesse tuuma Planetaarmudeli
järgi kujutab aatom endast 1023 korda vähendatud
Päikesesüsteemi laadset moodustist. Seejuures on
keskseks kehaks tuum, mille ümber tiirlevad
elektronid. Kaudsetest eksperimentidest on teada
saadud aatomi mõõtme suurusjärk 10-8cm Tuuma
mõõtme suurusjärk on aga veelgi väiksem 10-13
cm. Elektroni vaadeldakse punktmassina. Tuumade
koostisse kuuluvad positiivse laenguga prootonid
ja laenguta neutronitest. Ainukesena on lihtsaima
elemendi vesiniku aatomi tuumas ainult 1
prooton. Prootoni laengu absoluutväärtus võrdub
elektroni laengu absoluutväärtusega. See
moodustab elementaarlaengu,mille väärtus on
1,610-19 C.
6
Aatomi koostisosad.
Prooton ja neutron on ligikaudu võrdse massiga,
mis on 2000 korda suurem elektroni massist.
NIMETUS MASS(kg) LAENG(C)
Elektron 9,110-31 -1,610-19
Prooton 1,672623110-27 1,610-19
Neutron 1,67492810-27 0
Tavaolekus on aatom elektriliselt neutraalne.
Seega peab prootonite arv tuumas ja teda
ümbritsevate elektronide arv võrdne olema. Seda
arvu nimetatakse laenguarvuks Z, mis on tähtsaim
aatomit iseloomustav suurus. Vahemaad aatomi
osakeste vahel on ülisuured, aatom sisaldab palju
tühja ruumi.
7
Planetaarmudeli vastuolud.
Päikesesüsteemi hoiavad koos gravitatsioonijõud.
Aatomis toimib positiivselt laetud tuuma ja
negatiivse laenguga elektronide vaheline
tõmbejõud. Näiteks H aatomis on elektriline
tõmbejõud gravitatsioonijõust 1039 korda suurem.
Päikesesüsteemi püsivuse tagab pidev liikumine.
Samast lähtub ka aatomi planetaarmudel, oletades,
et elektronide liikumine tuuma ümber teeb aatomi
püsivaks. Lainefüüsikast on teada, et
pöördliikumine on pöörlemistasandis vaadeldes
võnkumine. Võnkuvad laengud kiirgavad aga
energiat (samuti tekitab vees lainetuse võnkuv
keha). Nii peaks elektroni liikumise energia
lõpuks kuluma ja elektron peaks kukkuma tuuma.
Arvestuste järgi peaks elektroni energia otsa
saama 10-9 sekundiga. Vt. Joonist järgmisel
slaidil.
8
Planetaarmudeli vastuolud1
9
Aatomite püsikindlus
Tegelikkuses on aatomid väga püsiva struktuuriga
moodustised. Isegi elektronide eemaldamine ei
kahjusta aatomit. Esimesel võimalusel hangib ta
ettejuhtuvad elektronid ja taastub esialgses
kvaliteedis. Kaasaegse teaduse andmetel on meie
universumi ainete liigitud väga rangelt paigas.
Saab olla vaid üks järeldus mikro-maailmas
kehtivad seaduspärasused, mis ei sobi
makro-maailma. Olulist informatsiooni kannab
endas valgus elektromagnetväljas leviv kiirgus.
10
Kokkuvõte 1

1. Aatomituuma olemasolu näitas a-osakeste hajumine
2. Aatomi mõõtme suurusjärk on 10-10 m ja tuuma
   läbimõõt 10-15 m
3. Planetaarmudel põhineb Päikesesüsteemi
   struktuuril
4. Planetaarmudel ei seleta aatomite püsivust
5. Aatomite püsivuse selgitamiseks tuleb leida
   teistsugused füüsikaseadused, mis erinevad
   oluliselt makrofüüsika seadustest.

11
Spektrijooned ja energiatasemed.
Elektrivoolu juhtimisel gaasi, hakkab see
kiirgama valgust, mille spekter on joonspekter.
See tähendab, et kiiratud valgus koosneb
kindlatest lainepikkustest. Hõredates gaasides
kiirgavad nõrgalt seotud aatomid ja joonspektrid
on seega üksikute aatomite spektrid. Kindlale
lainepikkusele vastab ka kindel kiirguse sagedus.
(1)
Joonspekter tähendab seda, et aatomid kiirgavad
kindla energiaga footoneid. Footoni energiat saab
arvutada eeskirjast
(2)
H6,6210-34 Js Plancki konstant ja f kvandi
sagedus
12
Spektrijooned ja energiatasemed1
Kui aatom kiirgab kindla energiaga footoni, siis
vastavalt energia jäävuse seadusele peab ta
kaotama samasuure energiahulga. Mõningane
sarnasus on trepist allaveereva keha
potentsiaalse energia vähenemisel. Seega on
aatomis ka elektronid kindlatel energeetiliste
tasemetel. Vastavate energiatasemete muster on
iseloomulik igale aatomitüübile keemilisele
elemendile. Elektroni üleminekul kõrgemalt
energiatasemelt madalamale kiirgab aatom
valguskvandi energiaga
Kus E2 ja E1 on vastavate tasemete energiad.
Energiat mõõdetakse erilistes ühikutes
elektronvoltides eV. Kehtib seos
13
Energiatasemete skeem
Kuulikese potentsiaalne energia trepil
Energiatasemed aatomis
14
Ergastamine

• Mehaanikakursusest on teada, et kehale
  potentsiaalse energia lisamiseks tuleb tööd tehes
  kehale juurde anda energiat. Sama kehtib ka
  aatomite puhul. Aatomile saab energiat juurde
  anda mitmel viisil
• Kiiritada aatomeid valgusega
• Lastes kiiresti liikuvatel elektronidel põrkuda
  aatomitega
• Ainet kuumutades
• Kui juhtida külmast gaasist läbi valgust, siis
  tekib nn. neeldumisspekter. See koosneb
  tumedatest joontest,mis vastavad täpselt sama
  gaasi kiirgamisel tekkivatele heledatele
  joontele. Seega gaas neelab kiirgust samuti
  kindlate väärtuste kaupa, nagu kiirgab.

15
Vesiniku aatomi spekter.
Vesinikuaatomi spektrijooned on rühmitunud
seeriatesse. Igas seerias olevad jooned
moodustavad koonduvaid jadasid. Seeriaid
kirjeldab valem
n1 ja n2 on täisarvud, n1 on konstantne täisarv
ja n2n11, n12, Vaata ka õpikust lk 14.
16
Seisulained
Täisarvuliselt muutuvate suurustega puutume kokku
ka makrofüüsikas. Pillikeele võnkumisel näiteks.
Vaata ka joonist. Pillikeelt saab panna võnkuma
täisarvudega määratud lainetena. See tähendab, et
keele otsad ei saa võnkuda. Lained peavad mahtuma
keele vabale osale. Seisulainetes tekivad
võnkumised sõlmede vahele. Lained levivad keele
kinnitusteni ja peegelduvad sellelt, tekitades
interferentsi, mis omakorda tekitab nn.
seisulained. Saavad tekkida ainult kindla
pikkusega seisulained, mille pool lainepikkust
mahub täisarv kordi keele pikkusele. Kõik teised
võnkumised summutatakse kiiresti. Seisulained
makromaailmas on oma diskreetsete väärtustega
samuti hüppeliselt muutuvad füüsikalised
protsessid. See moodustab silla mikro- ja
makromaailma vahel.
17
Kokkuvõte 2

1. Aatomite kiirgus- ja neeldumisspektrid on
   joonspektrid, seega võib aatom energiat omandada
   ja loovutada kindlate portsjonite kaupa.
2. Spektrijoonte asetuses on kindlad korrapärad
3. Vesiniku aatomi spektrijooned paiknevad
   koonduvate jadade seeriatena. Kõiki seeriaid
   kirjeldab Balmeri-Rydbergi valem

18
Elektroni lained
Aatom meenutab seisulainetes võnkuvat pillikeelt.
Spektrid kajastavad elektronide siirdeid
energiatasemete vahel. Seisulainete olekus
peaksid olema elektronid. Selleks peavad
elektronidel olema laineomadused. Siiski on
elektronil olemas seisumass, mis valgusosakesel
puudub. Valgusosake footon ei saa kunagi
peatuda, vaid peab liikuma pidevalt valguse
kiirusega. Samas on valgusosakestel lisaks
lainelistele omadustele ka osakestele
iseloomulikud omadused. Hüpoteesi kui on olemas
seos lained-osakesed, siis peaks eksisteerima ka
seos osakesed-lained püstitas prantsuse füüsik
Louis de Broglie. Laineomaduste kinnituseks on
sellised nähtused nagu difraktsioon ja
interferents. Kui elektron on laineliste
omadustega, siis peaksid need nähtused ilmnema ka
elektroni puhul. Elektronide lainelisi omadusi
kinnitab nende difraktsioonipilt. Vt. Järgmine
slaid.
19
Röntgenikiirte ja elektronide difraktsioonipildid
A röntgenkiirte difraktsioon, B elektronide
difraktsioonipilt. Elektronidel on lainelised
omadused!
20
Elektroni laine olemus.
Laine on millegi perioodilise muutumise levimine
ajas ja ruumis.mis siiski lainetab elektronide
juures? Katsest, mille kirjeldus paikneb õpikus
leheküljel 19, järeldub, et lainefüüsika
seadustele allub elektroni asumistõenäosus antud
punktis. Seda teoreetilist konstruktsiooni
nimetatakse ka tõenäosuslaineks. Need lained ei
levi mingis konkreetses materiaalses keskkonnas.
Laineprotsessi kirjeldavat matemaatilist
avaldist nimetatakse lainefunktsiooniks, mida
tähistatakse kreeka tähestiku tähega ?.
Lainefunktsioon määrab osakese leiutõenäosuse
antud kohal ja ajahetkel. Edaspidises tekstis
nimetatakse osakese leiutõenäosust lihtsamalt
leiulaineks. Laineid iseloomustatakse
lainepikkusega. Vastava seose tuletas de Broglie
ning see avaldub kujul
28.11
21
Mis lainetab elektronilaines?
Lainetus on millegi perioodiline muutumine ajas
ja ruumis. Veelaines lainetab veepind, helilaines
õhu tihedus, valguslaines elektromagnetväli. Mis
lainetab elektronilaines?
22
Mis lainetab elektronis1

• Eelmise slaidi fotojadast võib teha sellised
  järeldused
• See, et iga elektroni tabamus tekitab helendava
  punkti, näitab, et elektron ei muutu laineks vaid
  säilitab osakese omadused.
• Fotojadas suureneb elektronide voo massiivsus
  järjest. Voo kasvades võib märgata, et
  elektronilaine ei määra iga üksiku elektroni
  liikumist rangelt.
• Mida rohkem tabamusi, seda selgemalt rühmituvad
  tabamused interferentsitriipudesse. Kuna
  elektrone väljastati ühekaupa, pidi iga üksiku
  elektroniga kaasnev laine interfereeruma
  iseendaga.
• Lainetaoline käitumine ilmneb ainult suure hulga
  elektronide korral. Kasutades tabamuste tiheduse
  analüüsimiseks tõenäosusteooriat, ilmnes, et iga
  mikroosakesega (s.h. elektroniga kaasnevad
  tõenäosuslained. Need lained ei eksisteeri mingis
  materiaalses keskkonnas. Kvantfüüsikas
  nimetatakse nende lainete ajalist muutumist
  kirjeldavat matemaatilist avaldist
  lainefunktsiooniks, mida on tavaks tähistada
  kreeka tähega ?. Seda tuntakse ka
  nn.psii-funktsioonina. Suuruse ? väärtus antud
  ruumipunktis on osakese leiutõenäosus antud ajal
  ja kohal. Funktsioonil võib olla nii positiivne
  kui ka negatiivne väärtus koordinaatsüsteemist
  lähtudes. Negatiivsel tõenäosusel puudub mõte.
  Seega kasutatakse ?2 funktsiooni mis on osakese
  leiutõenäosus antud punktis ja antud ajahetkel.
  Seda funktsiooni nimetatakse ka leiulaineks. Vt.
  Näide õpikust lk 21.

23
Õpiku näide.
24
Röntgenikiirte lainepikkuse arvutus
25
Röntgenikiirte arvutus1.
26
Schrödingeri võrrand.
Scrödingeri võrrand on mikromaailma e.
kvantmehaanika põhivõrrand. Analoogiline võrrand
on klassikalises mehaanikas Newtoni II seadus.
Fma. Kui makrokeha asukoht, talle mõjuvad jõud
ja kiirus on teada, siis saab NII seaduse abil
määrata tema liikumisoleku. Scrödinger tugines
üldisele lainevõrrandile. Tulemuseks saadud
võrrand on diferentsiaalvõrrand (sisaldab
tuletisi). Sellise võrrandi lahendid on
funktsioonid lainefunktsioonid. Võrrandi
lihtsaim kuju, kui osake liigub üksnes piki
x-telge
27
Mikromaailma täpsuspiirangud.
Osakese kirjeldamiseks kasutatavad suurused on
paarikaupa täpsuslikus seoses. Kui ühe suuruse
täpsust suurendada, kaotatakse teise suuruse
täpsuses. Nii on näiteks osakese asukoha ja
impulsiga. Täpsuspiirang tuleneb otseselt
osakeste laineomadustest. Näiteks ei saa
lühikesest helisalvestusest tehtudlühikese
fragmendi alusel informatsiooni terve heliteose
noodikirja kohta. Selleks sisaldab ülilühike
fragment liialt vähe võnkeid infoühikuid.
Täpsuspiir on määratud seosega
See ongi täpsuspiirang energia ja ajavahemike
jaoks. Sõnastatult kõlaks see nii kui osake
püsib mingil energiatasemel vaid ajavahemiku ?t,
ei ole selle taseme energia E määratav täpsemalt,
kui kusagil energialõigu ?Eh/ ?t piires. Sama
piirang kehtib ka kiiruse (impulsi) ning
koordinaadi puhul. ?p ?xh. Täpsuspiirangud
formuleeris saksa füüsik Werner Heisenberg. Tema
järgi nimetatakse eeltoodud seoseid Heisenbergi
relatsioonideks.
28
Mõõtmised mikro- ja makromaailmas
Makromaailmas ei avalda mõõteriistad märgatavat
mõju mõõdetavale suurusele, või seda mõju saab
arvestada. Ampermeetriga täpselt mõõtes
arvestatakse tema sisetakistust. Täppiskaalumisel
arvestatakse kaalu mehaanilise süsteemi
takistusest tulenevaid parandeid ja isegi
keskkonnatingimusi. Sama tegevus viiakse läbi
mistahes makroparameetri mõõtmisel. Kui
mõõtmistäpsus pole probleemiks, jäetakse
mõõteriista mõju arvestamata. Vajadusel viiakse
mõõtmistesse sisse vajalikud parandid.
Mikromaailmas ei saa isegi elektroni ja footoni
vastasmõju arvestamata jätta. Nii peaks elektroni
leidmiseks temalt hajuma vähemalt 1 footon, mis
aga muudaks ka elektroni liikumise iseloomu.
Kehtib nn. Nõiaring mida täpsemalt tahame
elektroni lokaliseerida, seda lühemalainelisem
(suurema sagedusega) peab olema valgus. Seda enam
aga elektroni häiritakse! Nii tekibki paradoks.
29
Potentsiaalibarjäär ja potentsiaaliauk
Kui veerev kuulike kohtab oma teel kerget tõusu
(pinnavolti), hakkab tema kiirus tõusul vähenema.
Seejuures muutub tema kineetiline energia
potentsiaalseks. Kui kuulikese algne kineetiline
energia on suurem, kui voldi kõrgusega määratud
potentsiaalne energia, siis veereb kuulike
sellest üle. Vastasel juhul veereb tagasi, toimub
peegeldumisele sarnane nähtus. Sellist
mehaanilist pinnavolti nimetatakse
energeetilisest seisukohast potentsiaali-barjäärik
s. Kui voldi kõrgus läheneb lõpmatusele, saadakse
nn. Potentsiaalisein. Kui kuulike jääb kahe
barjääri vahele, nimetatakse sellist situatsiooni
potentsiaaliauguks. Mikromaailmas võivad
potentsiaalibarjääre moodustada elektriväljad,
kui nende tugevused jagunevad ruumis nii, et nad
tõkestavad osakeste liikumist.
30
Tunneliefekt.
Näiteks võib positiivse tuuma tõmbejõud tekitada
potentsiaalibarjääri tuumast eemalduvale
elektronile. Lõpmatult suurest potentsiaalibarjäär
ist ei saa elektron kuidagi üle. Tema leiulaine
amplituud peab muutuma barjääril nulliks.
Barjääri poole liikuv osake põrkub barjäärilt
tagasi. Lõpliku barjääri kõrguse korral näitab
Schrödingeri võrrand, et leiulaine ulatub ka
barjääri sisse, kuigi kahaneb selles kiiresti.
Piisavalt õhukese barjääri korral võib laine
siiski läbida barjääri oluliselt kahanenud
amplituudiga. See tekitab võimaluse, et osake
võib ka barjääri ületamiseks ebapiisava energia
korral osutuda teisel pool barjääri olevaks. See
vastaks nagu tunneli tekkimisele. Tegelikkuses
pole muidugi miskit tunnelit. On tegu vaid
osakese laineliste omadustega seotud efektiga,
kus laine suudab läbida barjääri ja kannab
niimoodi ka osakese teisele poole barjääri.
Situatsiooni nimetatakse tunneliefektiks.
Näiteid Radioaktiivne lagunemine, kus eralduvad
a-osakesed, mis saavad väljuda tuumast
tunnelleerudes. Väga tugevas elektriväljas võivad
elektronid väljuda ka kuumutamata ja valgustamata
metallist. See on tuntud nn. Külmemissiooni nime
all. Elektrivälja tugevus peab seejuures olema
üle 109V/m. Sellel nähtusel põhineb
tunnelmikroskoobi töö.
31
Tunnelmikroskoop
Tunnel-mikroskoobis skaneerib objekti pinda
üliteravaks (tipus üksikaatomini) söövitatud
metallteravik. Seadme tööpõhimõte meenutab
merepõhja kaardistamist kajaloodi või nööri abil.
Teravikule antakse objekti suhtes mõnevoldine
negatiivne
potentsiaal. Kui teraviku kaugus objektist on 0,1
1nm, siis hakkab see kiirgama elektrone. Tekib
külm- e. autoemissioon. Seda võimaldab
tunneliefekt.teravikku juhib arvuti poolt juhitav
piesoelektrilisest materjalist kolmsõrmik.
Piesoelektrikud on ained, mis elektriväljas
muudavad pisut oma mõõtmeid ja liigutavad
seetõttu nõela. Nii tagatakse pinna skaneerimine
ja muutumatu kaugus uuritavast objektist.
Tunnelivoolu muudab tugevalt vahekauguse
muutumine. Skaneeritava pinna reljeef ilmub
arvuti kuvarile. Tunnelmikroskoobi abil saab näha
üksikaatomeid Järgmisel slaidil on kujutatud
grafiidi kristallvõre tunnelmikroskoobi abil.
32
Grafiidi kristallvõre tunnelmikroskoobis.
33
Elektronilained aatomi orbiidil.
Elektroni leiulained hoitakse aatomi juures
elektriliste tõmbejõudude poolt. Kui elektron
tiirleb orbiidil, siis peavad tema leiulained
olema orbitaallained. Nii peavad orbitaallained
sobituma orbitaalringile täisarvuliselt.
34
Bohri aatom.
Elektron saab tuuma ümber tiirelda vaid kindlatel
orbiitidel. Vastava seose tuletas intuitiivselt
Taani füüsik Niels Bohr, kes sellel ajal ei
teadnud midagi elektroni lainelistest omadustest.
Soovides seletada aatomi püsivust ja
spektraalseeriaid postuleeris (ld. k. postulare
nõudma), et lubatud orbiitidel, mille raadius
rahuldab eelnevat seost elektronid ei kiirga
vaatamata tiirlemisele ümber tuuma.(Bohri 1.
Postulaat). See päästis planetaarse
aatomimudeli.Bohri aatomimudelile andis lainelise
sisu hiljem L. de Broglie Bohri teine postulaat
väidab, et aatom kiirgab või neelab valgust
ainult teatud üleminekutel lubatud orbiitide
vahel. Seejuures kiiratakse või neelatakse
footoneid energiaga hfE2-E1, kus E2 on kõrgema
ja E1 madalama taseme energia.
35
Vesiniku aatomi üleminekud.
36
Kvantfüüsika aatomipilt.
Mõnede Schrödingeri võrrandi lahendeina saadud
elektroni seisulained vesiniku aatomis on
kujutatud selle slaidi alumises osas olevatel
joonistel. Pildid on arvutustulemuste graafiline
esitus. Kujutise heledus sümboliseerib elektroni
leiutõenäosust vastavas ruumipunktis. Neid
kujutisi nimetatakse ka elektronpilvedeks.
Elektroni olekud määravad kolm kvantarvu n
peakvantarv l - orbitaalkvantarv ml
magnetkvantarv Elektroni keskmise kauguse tuumast
määrab peamiselt peakvantarv
37
Elektroni spinn
Aatomite spektrite eriti täpsel uurimisel selgus,
et paljud spektrijooned on lõhestunud
moodustades nn.dublette. Nähtuse seletamiseks
tuli senise 3 kvantarvule lisaks võtta kasutusele
4. Kvantarv, millel vatsavalt joonte
kahestumisele võib olla 2 väärtust ½ ja -½.
Esmaselt seostati seda arvu elektroni
pöörlemisega ümber oma telje. Hiljem see siiski
kinnitust ei leidnud. Nimetus spin pöörlemine
siiski jäi. Väärtused oleksid tähistanud
pöörlemist päri- ja vastupäeva. Spinn tähistab
kaasajal siiski osakese magnetilisi omadusi.
Footonil võib spinn olla ka täisarvuline
näiteks footonil. Spinni arvestatakse ka
magnetnähtuste juures tekkivate pooluste
juures.polaarsus magnetväljas on seotud raua
aatomite elektronide spinniga. Kokkuvõttes
määravad elektroni kvantseisundi kvantarvud n
peakvantarv l - orbitaalkvantarv ml
magnetkvantarv s - spinn
38
Ainetevahelised seosed, tõrjutusprintsiip
Keemiliste elementide aatomeid eristab laenguarv
Z. Niipalju on prootoneid tuumas ja elektrone
tuuma ümber. Tuumas eksisteerivad ka neutraalsed
osakesed neutronid, kuid nemad mõjutavad
elemendi keemilisi omadusi nõrgalt. Elektroni
koha aatomis määrab tema leiulaine, mille
määravad kvantarvud. Tuumale lähimale
põhiseisundile vastava leiulaine peakvantarv on
n1. Järgmistena kihistuvad ergastatud
kvantseisundid, kus n2, 3, Kui selline
seaduspära kehtiks kõikides teistes tuumades,
oleksid elementide keemilised omadused sarnased.
Tegelikkuses see nii pole. Mehaanikast on teada,
et kehad püüdlevad minimaalse koguenergia poole.
Samas ei saa aga kõik kehad minna minimaalsele
energeetilisele tasemele, olles samal ajal ühes
ja samas kohas. Sama printsiip kehtib ka
mikromaailmas. Sõnastada võiks selle nii samas
aatomis ei saa olla samade kvantarvude
komplektiga kahte elektroni. Selle printsiibi
sõnastas Šveitsi füüsik Wolfgang Pauli, kelle
järgi on seda printsiipi hakatud nimetama Pauli
keeluprintsiibiks. Järgneval slaidil oleval
joonisel on kujutatud Z1-20 aatomite
kihistumissüsteemid. Need on üksnes skemaatilised
kujutised. Elementide keemilised ja füüsikalised
omadused sõltuvad elektronide arvust väliskihis.
See arv ühtib ka perioodsussüsteemi rühma
numbriga, kuhu kuuluvad ka sarnased elemendid.
Välimise kihi elektrone tuntakse ka
valentselektronide nime all. Nende abil luuakse
keemilised sidemed ja molekulid.
39
Aatomite skeemid.
40
Aatomikooslused molekulid ja kristallid.
Keemiline side tekib aatomite annetamise ja
ühistamise teel. Näiteks NaCl moodustumine.
Mõlemad aatomid suudavad kergesti muutuda
ioonideks. Positiivse ja negatiivse iooni vahel
tekib tõmbumine, mis moodustabki keedusoola
molekuli. Tekib ioonside.
Ioonsideme teke.
41
Vesinikumolekuli moodustumine.
A aatomid asuvad kaugemal. B - ühtepidi
spinnid, mis keelavad ühinemise. C Vastupidised
spinnid lubavad ühinemise ja elektronpilved
segunevad. Elektronide leiutõenäosus on suurim
tuumade vahel, kuhu tõmbavad mõlemad tuumad. D
Skeem elektronide liikumisest tuumade ümber
molekulis.
Vesinikumolekuli moodustamisel ühistatakse
kummagi aatomi elektronid ja need asuvad ühte
leiulainesse. Spinnide vastassuunalisuse tingimus
tugineb tõrjutusprintsiibile. Tekkinud aatomsidet
nimetatakse kovalentseks sidemeks. Selle sidemega
ainete hulk looduses on valdav.
42
Kristallid supermolekulid.
Kui keedusoola lahuses on piisav ioonide
kontsentratsioon on tegemist üleküllastatud
lahusega on suur tõenäosus ioonide kohtumiseks
ja üha uute keemiliste sidemete tekkeks. Hakkab
kasvama kristall. Sama protsess tekib ka
sulatatud ainesse lastud madalamal temperatuuril
oleva nn. Idukristalli korral. Nii kasvatatakse
ka laserite töötavaks elemendiks olevate
kristallide kasvatamisel.
Kristallide omadused. Aatomid/ioonid on
paigutunud kindlas korras ja moodustavad
ruumvõre. (Vt. Slaidil vasakul olevat joonist.)
Võrestruktuuri kinnitavad difraktsioonikatsed
lühilaineliste kiirgustega näiteks
röntgenikiirgusega. Kaasajal on võimalik
tunnelmikroskoopide abil muuta kristallvõre
otseselt nähtavaks. Makroskoopiliste katsetena
võiks vaadelda murdunud metalli pinda. Murdumine
toimub mööda kristallvõre defektseid sidemeid.
Loomulikult ei näe me murdumisel üksikute
võreelementide piire vaid sarnase
orientatsiooniga võremassiivide ühtseid pindu.
43
Kristallvõre milleks?
Ruumvõresse korrastuvad aatomid seepärast, et
taolises asetuses on osakestekogumi potentsiaalne
energia minimaalne. Potentsiaalse energia
minimalismi printsiip kehtib laias ulatuses
looduses. Kristallvõre on igal juhul füüsikaline
mudel idealiseering. Tegelikult esineb
kristallides alati hälbeid korrapärast, mida
nimetatakse võredefektideks. Defekte võivad
põhjustada lisandid üksikud vales kohas
paiknevad ioonid või tühjad võresõlmed
vakantsid.
Defektid mõjutavad oluliselt tahkiste (tahkete
ainete) füüsikalisi (elektrilisi, optilisi jt.
Omadusi. Lisandamine e. legeerimine kuulub
paljude materjalide tootmise juurde. Nii saadakse
roostevaba terast, lisades tavalisele terasele
kroomi ja niklit. Tahkistefüüsikas tähistatakse
lisandaineid keemilises valemis näiteks niimoodi
ZnSCu Kristallid on tahkete ainete levinuim
esinemisvorm, harva leidub looduses suuri
monokristalle. Looduslikud monokristallid on
vääriskivid, polükristalsed on metallid,
liivakübemed, kivimid, maakoor. Metallides on
kristalliks seondunud positiivsed ioonid, mida
ühendavad kristalliseerumisel vabanenud
elektronid. Selliste elektronide leiulaine hõlmab
tervet kristalli. Leiulaine amplituud on
seejuures suurem ioonide vahetus läheduses ja
väiksem nendest kaugemal. See asjaolu põhjustabki
metallides hea elektrijuhtivuse. Dielektrikutes
jäävad elektronid seotuks aatomitega ja puuduvad
vabad laengukandjad. Pooljuhtide korral on osad
elektronid siirdunud kristalli ühisesse
leiulainesse.
44
Metallid, pooljuhid ja dielektrikud.
Kristallis on aatomitevahelised kaugused väikesed
ja seega nendevaheline vastasmõju tugev.
Spektrite uurimine on kinnitanud, et
energiatasemete pilt muutub võrreldes vabade
aatomitega. Välimiste kihtide energiatasemete
vahemaa suureneb elektrilise vastasmõju tõttu,
moodustades niiviisi nn. energiatsoone. Kui
kristalliks ühineb N aatomit, siis hargneb iga
tase tsoonis N alamtasemeks. Alatasemete
täitmisel kehtib ikkagi energia
miinimum-printsiip koos Pauli tõrjutusprintsiibiga
. Vasakul oleval joonisel on visandatud 6 aatomi
energiatasemetehargnemine tsooniks. Juhul A on
aatomi kõrgemail hõivatud tasemel 1 elektron.
Tõrjutusprintsiip lubab tsooni igale alatasemele
asuda 2 vastasspinnidega elektronil, jääb kõrgeim
tsoon pooleldi tühjaks. Osalise hõivatusega
tsoonid võivad tekkida ka tsoonide
Energiatasemete teisenemine tsoonideks aatomite
liitumisel kristallideks. Joonisel on tähistatud
P aatomi energeetiline põhitase, E
põhitasemele järgnev ergastustase, ?E
keelutsoon e. keelupilu.
osalisel kattumisel (kristallide moodustumine)
metallide korral. Poolikult täidetud tsoonide
elektronid moodustavad liikumisvõimelise
elektrongaasi. Juhul B on kõrgemal hõivatud
tasemel 2 elektroni. See vastab mittemetallidele.
Kõrgeim tsoon on täis ja see vastab
dielektrikutele ning pooljuhtidele. Laineomadus
ei luba elektronil omandada energiaid,mis jäävad
?E vahemikku. See on keelutsoon. Keelutsoonile
järgneb juhtivustsoon, mis on täitmata. Hõivatud
tsooni nimetatakse valentstsooniks, kuna see
täitub valentselektronidega.
45
Juhtivuse ja mittejuhtivuse põhjused.
Pooljuhte eristab mittejuhtidest keelutsooni
laius. Kui see on suhteliselt kitsas (1eV), on
tegu pooljuhiga, laia keelutsooni (5-10eV) korral
on tegemist dielektrikuga. Elektrivool on
laengukandjate suunatud liikumine. Tahkistes on
sellisteks laengukandjateks elektronid.
Elektrivälja poolt antavat energiat saavad
elektronid juurde võtta ainult siirete kaudu
vabadele kõrgematele energiatasemetele tsooni
asustamata alamtasemetele. Metalli korral on
pooltäidetud nii juhtivus kui ka valentstsoon, on
piisavalt nii elektrone kui ka vabu alamtasemeid,
mille arvel energia saab kasvada. See tagab
juhtivuse. Dielektriku korral on
juhtivustsoon tühi ja energiaruumi piisavalt kuid
seal puuduvad elektronid, mis saaksid liikuma
hakata. Valentstsoonis on elektrone, kuid
puuduvad vabad alamtasemed, et elektronid saaksid
liikuda. Pooljuhi keelutsoon on suhteliselt
kitsas. Osad valentselektronid saavad
soojusliikumise energia arvelt ületada
keelutsooni ja siirduda juhtivustsooni. Seal on
ka vabu tasemeid, mille abil saab tekitada väli
laengute liikumist. Soojusliikumine pole piisav
tekitamaks elektronide massilist keelutsooni
ületamist. Seepärast on pooljuhtide
elektrijuhtivus oluliselt väiksem juhtide omast.
Kuna osa elektrone asuvad juhtivustsoonis, siis
jääb ka valentstsooni vabu alamtasemeid auke.
Neid täites pääsevad elektronid liikuma.
Valentsitsoon tekitab ka nn aukjuhtivust. Aatomid
haaravad oma naabrite elektrone. Lisaks
elektronidele osutuvad pooljuhtides
laengukandjateks ka nn augud e. positiivselt
laetud aatomid. Mõlemaid juhtivustüüpe
kasutatakse pooljuhtseadistes. Elektroni ja augu
ühinemist nimetatakse rekombinatsiooniks.
46
Pooljuhtide liike, soojuse ja valguse mõju
tahkistele
Mida kõrgem on pooljuhi temperatuur, seda rohkem
elektrone satub juhtivustsooni ja rohkem auke
jääb valentstsooni. Pooljuhtide juhtivus kasvab
temperatuuri tõustes hüppeliselt. Pooljuhte saab
kasutada termoandurites termistorides, mis on
eriti tundlikud ja kiire reaktsiooniajaga.
Metallides laengukandjate arv ei muutu, kuid
kiirenenud soojusliikumine suurendab märgatavalt
metalli takistust elektrivoolule. Pooljuhtides
korvab laengukandjate lisandumine soojusliku
mõju. Pooljuhis tekivad vabad laengukandjad ka
valguse toimel. Selleks peab valgustava kiirguse
footonite energia ületama keelutsooni laiuse.
Joonisel tähistab seda lai punane nool. See on
nn. Sisefotoefekt e. fotojuhtivus,mis leiab
rakendust fototakistites. Nähtava valguse
lainepikkus on vahemikus 400-700nm ja vastavate
footonite energia 3,1 1,8 eV. Toodud
energiavahemikust piisab siireteks metallide
(2-3eV) pooltühjas juhtivustsoonis tasemete
vahel. Energia on piisav ka pooljuhi 1eV vahemiku
ületamiseks. Küll ei piisa sellest aga
dielektrikute 5 10 eV keelutsooni ületamiseks.
Vt. Joonis slaidil 45. Metallide vabad elektronid
pole mitte ainult voolukandjad vaid ka toimetavad
edukalt aines edasi soojusenergiat. Kuna
elektronid dielektrikutes puuduvad, on need ka
nii elektri- kui ka soojusisolaatorid. Metallid
seevastu aga juhivad mõlemat ühtviisi hästi.
47
Juhtivuse erijuhud ja mõjutamine.
Lisandjuhtivus, doonorid ja aktseptorid.
Pooljuhi juhtivust saab suurendada
kristalliseerumise ajal temasse väikeses koguses
lisandainete viimise teel. Viies germaaniumi (4
väliselektroni, neljavalentne) arseeni (5-
valentne) aatomeid, jääb keemiliste sidemete
moodustumisel 1 elektron üle ja saadakse
valdavalt elektronjuhtivusega pooljuht e. n-tüüpi
pooljuht.
Elektrone loovutav lisand kannab nimetust
Doonor andja. Kui pooljuht sisaldab lisandit,
mille aatomitel on 1 väliselektron vähem kui
põhiaine aatomitel, saame aukjuhtivusega
pooljuhi, mida nimetatakse ka p- tüüpi
pooljuhiks. Vastavat lisandit tuntakse
Aktseptorina võtja. Aktseptor võtab
naaberaatomitelt elektroni ja tekitab
elektronkattesse augu, mis soojusliikumise toimel
siirdub valentstsooni.
48
Kokkuvõte.

1. Kristallides muunduvad aatomite väliselektronide
   energiatasemed mitme eV laiusteks
   energiatasemeteks, mille hõivamisel kehtib
   tõrjutusprintsiip üle terve kristalli.
2. Metallides on kõrgeim hõivatud energiatsoon
   ainult osaliselt täidetud elektronidega. See
   põhjustab metallide hea juhtivuse. Elektronid
   saavad võtta elektriväljalt energiat ja selle
   arvel liikuda.
3. Dielektrikutes on kõrgeim energiatsoon -
   valentsitsoon elektronidega täidetud,
   liikumisvabadus puudub ja voolu ei teki.
4. Tavatemperatuuril kannab soojusliikumine
   elektrone üle kitsa keelutsooni kõrgemale
   juhtivustsooni. Valentsitsooni jäävad augud. Auk
   imiteerib positiivset laengukandjat.
5. Dielektrikus on keelutsoon lai (5-10eV) ja
   soojusenergiast ei piisa juhtivuselektronide
   tekitamiseks.
6. Pooljuhtide elektrijuhtivust tõstab lisandite
   kasutamine. Need on doonor- ja aktseptorlisandid,
   mis vastavalt lisavad või haaravad
   valentselektrone põhiaine aatomitest.

49
Diood
Kõik pooljuhtseadmed omavad kihilist struktuuri.
Pooljuhtaine kihid on difundeerunud üksteisega.
Difusioonipiirkonda nimetatakse pn-siirdeks. Ühe
siirdega erineva juhtivusega pooljuhtainest
moodustatud liitstruktuur ongi diood. Diood
toimib voolule ventiilina. Ühes suunas juhib
selline seade voolu hästi,teises suunas peaaegu
üldse mitte. Tõkkekihi tekkimine. P-pooljuhis on
palju auke, n-pooljuhis aga elektrone.
Laengukandjate erinevus hakkab läbi siirde
rekombineeruma. Siirdealas jäävad n-poolele
positiivsed ioonid ja p-poolde negatiivsed
aktseptori ioonid. Nende laengut ei tasakaalusta
enam lahkunud elektronid ega augud. Kaksikkihi
elektriväli hakkab ülevalguvaid laengukandjaid
tagasi tõrjuma, kuni tekib tasakaal.
50
P-N siirde juhtimine.
Välise vooluallikaga saab tekkinud
potentsiaalibarjääri tõsta või langetada. Kui
dioodile rakendada päripinge (vt. Joonist), siis
töötab väline elektrijõud siirdele vastu ja
dioodi läbib normaalne pingega võrdeline vool.
Vastupinge korral tugevdab väline väli sisemist
tõkkevälja ja vool kahaneb nullilähedaseks.
Vahelduvvoolu ahelas hakkab diood seega alaldama
vahelduvvoolu ja tekitab sellest pulseeriva
ühesuunaliste vooluimpulsside jada. Vooluimpulsse
saab tasandada filtritega,näiteks
konden-saatoritega.
51
Pooljuhtdioodide liike.
Kõige laialdasemalt kasutatakse dioode
vahelduvvoolu alaldamiseks. Dioodidel töötavad
alaldid paljudes kodumasinate toiteseadmetes,
liiklusvahendite elektrisüsteemides ja
mujal. Eriotstarbelised dioodid
ventiilfotoelemendid ja päikesepatareid, GaAs ja
GaP ühenditest valmistatud dioodid on
valgusdioodid (ingl. LED). Pärivoolu korral
hakkab see kiirgama valgust. Kiirguvad footonid
saavad energiat elektronide ja aukude
rekombineerumisest. Rekombineerumisel langeb
elektron kõrgemalt energiatasemelt madalamale
valentsitsooni ja see vabastabki energiat.
Valgusdioode kasutatakse kaasajal
indikaatoritena, kuna nad tarbivad tavalistest
lampidest oluliselt vähem energiat. Valgusdioode
võidakse kasutada ka lihtsamate tekstide ja
numbrite esitamiseks automaatikaseadmetes või
mõõteriistades. Samuti on ka väikesemõõtmelistes
pooljuhtlaserites kasutuses valgusdioodid.
52
Transistorid
Transistor koosneb kahest järjestikusest
vastupidisest pn-siirdest. Transistor koosneb
kahest ühendatud dioodist.
Transistori tööpõhimõte seisneb selles, et ühele
siirdele rakendatud oluliselt nõrgema
signaalipingega saab reguleerida ning tüürida
teise siirde takistust ja seeläbi ka
väljundpinget. Transistor on aktiivseade tema
abil saab võimendada elektrisignaale, teha
ümberlülitamisi, genereerida elektrivõnkumisi jpm.
Transistore saab paigutada kahe
tasakaaluseisundiga lülitusse. Üks transistor
juhib ja teine ei juhi ning sisendsignaal võib
nende olekut vahetada. Selliste lülitustega
modelleeritakse binaarkood (0 ja 1). Dioodide ja
transistorite sagedamini kasutatav materjal oli
varem germaanium, kaasajal räni. Viimasel ajal
leiab enam kasutamist ka galliumarseniid.
53
Transistor võimendina.
Pnp transistor. Emitteri ja baasi vahele
rakendatakse päripinge, baasi ja kollektori
vahele rakendatakse vastupinge. Esimene on
väikese ja teine suure takistusega. Baasikiht
tehakse transistoris hästi õhuke. Päripinge mõjul
emitterist baasi suunduvad elektronid suudavad
läbida õhukese baasi. Kollektorisiirdes
vähendavad lisandunud voolukandjad selle
takistust. Jooniselt võib näha transistori
võimendusefekti.
54
Kiibid
Kiibiks nimetatakse integraal- e. terviklülitust.
Sõna on mugandus inglisekeelsest sõnast chip.
Kiip on pooljuhtainest plaat, millesse on tehtud
palju mikromeetri suurusjärgus transistore koos
vajalike takistite ning kondensaatoritega. Ühes
kiibis on reeglina terve elektroonikseade
näiteks võimendi, protsessor, muundur vms.
Esimeste arvutite põlvkonnad pärinevad
1950-ndatest aastatest. Siis võtsid mitte eriti
võimsad arvutid enda alla terveid korruseid
hoonetes. Sama võimsusega arvuti võib kaasajal
olla juba matemaatiliste funktsioonidega
kalkulaator. Kiipide tootmise tehnoloogiaid.
Esimesed kiibid loodi enamasti vaakumaurustamise
teel. Kaasajal kasutatakse söövitamist ja
peenkeemilisi protseduure läbi vastavate maskide.
Laserite abil saab luua veelgi peenema
struktuuriga kiipe. Praegu suudetakse luua
transistore, mis mahuksid ära grafiidiaatomisse.
Esimese elektronarvuti ENIAC (1945) protsessoris
oli 18000 elektronlampi. Nüüd mahuks sama
võimsusega protsessor 0,5mm2 suurusele
ränikristallile.
55
Kokkuvõte.
Siirdekiht p ja n tüüpi pooljuhi vahel, pn-siire
juhib voolu ainult suunas p-poolelt n-poolele,
mis muudab siirde alaldavaks vahelduvvoolule.
Siirdekihile vastav pooljuhtseade on
diood. Transistor on pooljuhtseade
elektrisignaalide võimendamiseks, muundamiseks ja
genereerimiseks. Kaasaja elektroonika põhielement
on kiip e. terviklülitus,milles mõne
ruutsentimeetrisele pinnale on koondatud
miljoneid transistore koos abiseadmetega, mis
toimivad koos tervikliku seadmena.
56
Valguse teke.
Mehaanikast liigutades keha, mis puudutab
veepinda, tekitame vee pinnalaineid. Samamoodi
tekitavad võnkuvad elektrilaengud
elektromagnetvälja laineid e. elektromagnetlaineid
. Kvantsiirete üleminekutel aatomites tekivad
valguse mikrovälgatused. Valgus on samuti
elektromagnetlainetus. Kvantsiire ei ole
lõpmatult kiire hüpe, see toimub lõpliku aja
jooksul, võnkuvalt kuni elektroni leidumise
tõenäosus olla uuel tasemel saab maksimaalseks.
Selle protsessi käigus kiiratakse
elektromagnetlaine pakett e. footon. Spektrijoonte
laius on lõplik. (lk72)