שיעור 5 מתוך 7

מתכתנים.

כ־25 דקות · 5 שאלות תרגול

למאמר המלא: מתכתנים

היסודות שעל גרם המדרגות בטבלה: צורן מבריק כמו מתכת אבל נשבר כמו זכוכית, ומוליך טוב יותר ככל שהוא מתחמם. מה פער הפסים מסביר, ולמה ארסן ואנטימון מתנהגים כמו מתכות.

שלב 1 מתוך 5 · מבריק אבל שביר

שלב 1 מתוך 5

מבריק אבל שביר

בשיעור הקודם ראינו שבין המתכות לאל־המתכות בטבלה עובר קו זיגזג, כמו גרם מדרגות, מבור ועד טלוריום. היסודות שיושבים עליו נקראים מתכתנים (או מתכות למחצה). ששת המוכרים הם בור, צורן, גרמניום, ארסן, אנטימון וטלוריום, והם לא מתכות ולא אל־מתכות, אלא משהו באמצע.

בסצנה מוט של צורן על במה, מחובר למד זרם. לצורן ברק אפור של מתכת. נבאו מה יקרה כשנכה בגוש צורן בפטיש, ואז הסתכלו פנימה, אל הקשרים.

לשאלה

שלב 2 מתוך 5

צורן מתחמם

מתכת מוליכה כי יש בה ים של אלקטרונים חופשיים. בצורן כמעט כל אלקטרון חיצוני מוחזק בקשר בין שני אטומים. כדי לשחרר אלקטרון מהקשר צריך אנרגיה מינימלית, שנקראת פער פסים: בצורן היא 1.1 eV. בטמפרטורת החדר רק מעט מאוד אלקטרונים מקבלים מהחום מספיק אנרגיה, ולכן הצורן מוליך מאות מיליארדי פעמים פחות מאלומיניום.

הסתכלו על המחוג ועל הקריאה מתחת לגרף. נבאו מה יקרה כשנחמם את המוט מטמפ׳ החדר לפלטה חמה.

לשאלה

שלב 3 מתוך 5

סימנס אחד למטר

מוליכות נמדדת ביחידה S/m, סימנס למטר: ככל שהמספר גדול יותר, החומר מוליך טוב יותר. אלומיניום מוליך כ־3.8 × 10⁷ S/m, וצורן טהור בטמפרטורת החדר רק כ־0.0003 S/m.

כל אלקטרון שהחום משחרר יכול לשאת זרם, ובמקום שהוא עזב נשאר חור, קשר שחסר בו אלקטרון, שגם הוא נושא זרם. ככל שהמוט חם יותר, משתחררים הרבה יותר אלקטרונים. מצאו בעזרת טמפרטורה כמה חם צריך להיות המוט כדי שיוליך בערך 1 S/m.

לשאלה

שלב 4 מתוך 5

שניים שמתנהגים כמו מתכות

עכשיו בסצנה ארסן. המד קופץ למיליוני סימנס למטר, כמעט כמו אלומיניום. בארסן ובאנטימון אין פער פסים: הפסים שלהם חופפים מעט, ולכן מספר קטן וקבוע של אלקטרונים חופשי תמיד, בערך אחד לכל מאתיים אטומים. הם נקראים חצאי־מתכות.

נבאו מה יקרה למוליכות של הארסן כשנחמם אותו מטמפ׳ החדר לפלטה חמה.

לשאלה

שלב 5 מתוך 5

במורד קבוצה 14

התקרבות לקשרים עומדת על קשרים, ובסצנה גרמניום. ליהלום, לצורן ולגרמניום אותו מבנה בדיוק: כל אטום חולק זוג אלקטרונים עם כל אחד מארבעה שכנים. החליפו בין יהלום, צורן וגרמניום, והשוו את המחוג ואת פער הפסים שמתחת לגרף: 5.5, 1.1 ו־0.7 eV.

במורד הקבוצה האטומים גדלים, והאלקטרונים החיצוניים רחוקים יותר מהגרעין. יהלום הוא מבודד, צורן וגרמניום מוליכים למחצה, ובדיל ועופרת שמתחתם כבר מתכות. מכאן גם התועלת של המתכתנים: הוספה של כמה אטומים למיליון של בור או ארסן לצורן מגדילה את המוליכות שלו פי מיליון, וכך בונים טרנזיסטורים ותאים סולריים.

לשאלה