Model ciasnego wiązania

Zakładamy, że dla konkretnego atomu znamy: ˆ

H ψ = E ψ

0

0

0

0

Rozważmy jeden kierunek w sieci kryształu, w której atomy powtarzają się periodycznie o a i ponumerujmy kolejne atomy:

Hˆ ψ = E

0

ψ

i

0

i

ψ

2

2

ψ i = ψ

Funkcje

i będą miały ten sam kształt, ale będą przesunięte w fazie: 0

Weźmy się za równanie:

ˆψ

H

= ψ

E

, gdzie H

ˆ jest hamiltonianem dla całego kryształu Dla atomu poza kryształem:

2

2

h

ˆ

d

H = −

+ Vˆ ( x)

0

2

2

at

m dx

W krysztale:

2

2

h

ˆ

d

ˆ

H = −

+ Vˆ ( x) = H + Vˆ ( x) 2

2

kr

0

p

m dx

gdzie V

ˆ to tzw. potencjał perturbacji, wynikający z umieszczenia atomu w sieci krystalicznej: p

V

ˆ ( x = Vˆ

)

( x − V

ˆ

)

( x)

p

kr

at

Ponieważ funkcja ψ zostaje zmieniona przez potencjał perturbacji, nie jest już funkcją własną hamiltonianu.

Musimy ją rozpisać w szereg funkcji, które znamy: N

ψ = ∑ cψ

i

i , gdzie N jest liczbą atomów w sieci kryształu i=1

Jeśli uwzględnimy tylko oddziaływanie najbliższych sąsiadów:

∞

∞

∫ *

ψ

ψ dx

*

ψ

−

V

ˆ

V

ˆ

ψ

1

p

= ∫

dx

p

+1

= − W

i

i

i

i

−∞

−∞

gdzie W > 0 - potencjał perturbacji obniża energię całkowitą (inaczej kryształ byłby niestabilny).

N

ˆ

Wstawiamy ψ = ∑ c ψ

ψ

H

= E

i

i do

ψ :

i=1

Hˆ ∑

N

N

cψ

E

cψ

∞

i

i =

∑ i i - całkujemy obustronnie: / ∫ *ψ dx m

i=1

i=1

−∞

∞

∞

∫ * ˆ

ψ

V

ˆ

ψ

ψ

ψ

0 +

p ∑

= ∫ * ∑

m (

N

N

H

) c dx

E

c

dx

i

i

m

i

i

i

−∞

=1

i

−∞

=1

Lewa strona jest równa:

∞

N

N

∞

∞

∫ *

ψ Hˆ

cψ dx

c

*

ψ Hˆ

V

ˆ

ψ dx

*

ψ Vˆ ψ dx

m (

0 +

p )









∑ i i = ∑ i ∫ m 0 i + ∫ m p i

=





−∞

i=1

i=1

 −∞

−∞



||

E 0 ψ i

N

∞

N

∞

*

*

= ∑ c E ψ ψ dx

c ψ

ψ dx c E W c

c

i

∫ m i + ∑ i ∫ Vˆ

m

i

= m − ( m +

)

0

p

0

1

−

m 1

+

i 1

=

i 1

−∞

=

−∞

||

||

↑

δ

−

mi

W

uwzględniamy tylko najbliższych sąsiadów i k ma

s

Zgadujemy rozwiązanie w postaci fali: c

= Ae

m

, gdzie ma = x ( a to stała sieciowa) Aei k ma

(

− )

1

(

+

s

E 0 − W ( Aei k m a s

+ Aeik m )1 a

s

) = Aei k ma

s

E

i k ma

s

dzielimy obustronnie przez Ae

:

E 0 − W ( e− i k as + ei k a s

) = E

I tym sposobem otrzymujemy zależność energii od wektora falowego: E = E − W

2

cos k a

0

s

Wynik jest bardzo prosty, ale to tylko dzięki temu, że rozpatrywaliśmy wyłącznie jeden kierunek.