Лучшие помощники
- Megamozg 2205 б
- Matalya1 1800 б
- DevAdmin 1720 б
- arkasha_bortnikov 900 б
- Dwayne_Johnson 870 б
Энергетический спектр электронов и волновые функции электронов в квантовой точке описываются моделью потенциального ящика с бесконечными стенками кубической формы со стороной a=5 нм. Эффективная масса электронов равна 1/10 массы свободного электрона. В квантовой точке находиться 5 электронов. Чему равна энергия наивысшего уровня, на котором есть хотя бы 1 электрон? Чему равен полный спин 5-ми электронов в квантовой точке в основном состоянии с учётом правил Хунда?
1
ответ
Для кубической квантовой точки со стороной a=5 нм энергии уровней определяются формулой:
$$E_{n_x,n_y,n_z}=\frac{\hbar^2\pi^2}{2m^*}\left(\frac{n_x^2}{a^2}+\frac{n_y^2}{a^2}+\frac{n_z^2}{a^2}\right)$$
где $n_x, n_y, n_z$ - целые числа, определяющие уровни энергии, $m^*$ - эффективная масса электрона, $a$ - размер кубической квантовой точки.
Наивысший уровень, на котором есть хотя бы 1 электрон, будет иметь наименьшую энергию. Этот уровень соответствует $n_x=n_y=n_z=1$. Тогда энергия этого уровня будет:
$$E_{1,1,1}=\frac{\hbar^2\pi^2}{2m^*}\left(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{a^2}+\frac{1}{a^2}\right)=\frac{3\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Полный спин 5-ти электронов в квантовой точке в основном состоянии с учётом правил Хунда будет равен сумме спинов электронов, если они находятся в разных орбиталях, и максимальному спину, если они находятся в одном орбитале.
Так как в квантовой точке находится 5 электронов, то они будут занимать уровни энергии с $n_x+n_y+n_z=3$ и $n_x+n_y+n_z=4$. По правилам Хунда, первые 4 электрона будут заполнять уровни с наименьшими значениями спина, а 5-ый электрон займет орбиталь с максимальным спином.
Уровни с $n_x+n_y+n_z=3$ имеют энергии:
$$E_{1,1,1}=\frac{3\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
$$E_{2,1,0}=\frac{5\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
$$E_{2,2,0}=\frac{6\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Таким образом, первые 4 электрона будут занимать уровни с $n_x+n_y+n_z=3$ и спинами $s=1/2$ (два электрона) и $s=0$ (два электрона).
5-ый электрон займет орбиталь с максимальным спином, которая соответствует уровню с $n_x+n_y+n_z=4$ и $n_x=n_y=n_z=2$. Энергия этого уровня будет:
$$E_{2,2,2}=\frac{12\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Спин этой орбитали будет равен $s=3/2$.
Таким образом, полный спин 5-ти электронов в квантовой точке в основном состоянии с учётом правил Хунда будет равен:
$$S=2\cdot\frac{1}{2}+2\cdot 0+\frac{3}{2}=2$$
$$E_{n_x,n_y,n_z}=\frac{\hbar^2\pi^2}{2m^*}\left(\frac{n_x^2}{a^2}+\frac{n_y^2}{a^2}+\frac{n_z^2}{a^2}\right)$$
где $n_x, n_y, n_z$ - целые числа, определяющие уровни энергии, $m^*$ - эффективная масса электрона, $a$ - размер кубической квантовой точки.
Наивысший уровень, на котором есть хотя бы 1 электрон, будет иметь наименьшую энергию. Этот уровень соответствует $n_x=n_y=n_z=1$. Тогда энергия этого уровня будет:
$$E_{1,1,1}=\frac{\hbar^2\pi^2}{2m^*}\left(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{a^2}+\frac{1}{a^2}\right)=\frac{3\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Полный спин 5-ти электронов в квантовой точке в основном состоянии с учётом правил Хунда будет равен сумме спинов электронов, если они находятся в разных орбиталях, и максимальному спину, если они находятся в одном орбитале.
Так как в квантовой точке находится 5 электронов, то они будут занимать уровни энергии с $n_x+n_y+n_z=3$ и $n_x+n_y+n_z=4$. По правилам Хунда, первые 4 электрона будут заполнять уровни с наименьшими значениями спина, а 5-ый электрон займет орбиталь с максимальным спином.
Уровни с $n_x+n_y+n_z=3$ имеют энергии:
$$E_{1,1,1}=\frac{3\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
$$E_{2,1,0}=\frac{5\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
$$E_{2,2,0}=\frac{6\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Таким образом, первые 4 электрона будут занимать уровни с $n_x+n_y+n_z=3$ и спинами $s=1/2$ (два электрона) и $s=0$ (два электрона).
5-ый электрон займет орбиталь с максимальным спином, которая соответствует уровню с $n_x+n_y+n_z=4$ и $n_x=n_y=n_z=2$. Энергия этого уровня будет:
$$E_{2,2,2}=\frac{12\hbar^2\pi^2}{2m^*a^2}$$
Спин этой орбитали будет равен $s=3/2$.
Таким образом, полный спин 5-ти электронов в квантовой точке в основном состоянии с учётом правил Хунда будет равен:
$$S=2\cdot\frac{1}{2}+2\cdot 0+\frac{3}{2}=2$$
0
·
Хороший ответ
2 мая 2023 16:51
Остались вопросы?
Еще вопросы по категории Физика
Орбитами планет солнечной системы являются...
Объясните как перевести г/см3 в мл, и кг/м3 в мл...
Напишите сообщение на тему звенья тела человека как рычаг по плану 1)Описание рычагового принципа работы опорно двигательного аппарата человека 2)...
доброго времени суток, помогите решить задачу!...
Металлический шар заряжен (рис. 281). Какого знака заряды у шариков одинаковой массы, подвешенных на шелковых нитях?...