Атомдық физика және кванттық механика курстарынан жеке оқшау атомдағы электронның әрекеті белгілі. Электрондар энергияның кез келген емес, тек дискретті мәндеріне ғана ие бола алады (2.1,а-сурет). Бір энергетикалық деңгейден екіншісіне ауысу энергия жұтылуы немесе бөлінуі мен байланысты.
Егер атомдарды жақындастырғанда, яғни оларды қатты фазаға конденсациялағанда атомдардағы энергетикалық электрондық деңгейлер қалай өзгереді (2.1,б-сурет)? Оқшау атомда атом ядросы мен оның барлық электрондарының тартылу және электрондар арасында тебілу күштері бар. Кристалда атомдар ара қашықтығы жақын болғандықтан жаңа күштер пайда болады. Олар ядролар арасындағы, әртүрлі атомдардың электрондары арасындағы және қатты денені құрайтын атомдардың барлық ядролары мен барлық электрондары арасындағы әсерлесу күштері.
Осы қосымша күштердің әсерінен кристалдағы әрбір атомның электрондарының энергетикалық деңгейлері өзгереді. Бұл атомдардың жақындасуының 1-салдары. 2-салдар – атомдардың электрондық қауыздары, әсіресе сыртқы, тек жанасып қана қоймай, қабысады. Нәтижесінде электрон бір атомдағы бір деңгейден көрші атомдағы деңгейге энергия жұмсамай ауыса алады, осылайша бір атомнан екіншісіне еркін көше алады.
Сондықтан берілген электрон қандай да бір атомға тиесілі деп айтуға болмайды, керісінше электрон кристалл тордың барлық атомдарына тиесілі. Басқа сөзбен, электрондардың жалпылануы жүзеге асады. Әрине, сыртқы электрондардың қауыздарында орналасқан электрондар ғана жалпыланады. Электрондық қауыз ядроға жақын болған сайын, ядро электронды осы деңгейде күштірек ұстап тұрады да, оның 1 атомнан 2-не ауысуына кедергі жасайды.
Атомдар жақындасуының екі салдары бірігіп энергетикалық шкалада жеке деңгейлер орнында бүтін энергетикалық зоналардың пайда болуына алып келеді. Яғни қатты дене шегінде электрон ие бола алатын энергия мәндерінің облысы пайда бола алады (2.1,г-сурет).
Зонаның ені электронның ядромен байланысу дәрежесіне тәуелді. Бұл байланыс күштірек болған сайын деңгей азырақ жіктеледі, яғни зона жіңішкерек болып келеді. Оқшау атом электрон ие бола алмайтын тыйым салынған энергия мәндерімен сипатталады. Осыған ұқсас қатты денеде де байқалады. Зоналар арасында тыйым салынған зоналар болуы мүмкін. Жеке атомда деңгейлердің ара қашықтығы алшақ емес, ал кристалда тыйым салынған аумақ түзілген энергетикалық зоналардың қабысуы есебінен жоғалуы мүмкін.
Осылайша, кристалдағы электрондардың энергетикалық спектрінің зоналық құрылымы бар. Әртүрлі кристалл заттардың қасиеттерінің әртүрлілігі (әр алуандығы) электрондардың энергетикалық спектрінің құрылымының әртүрлі (рұқсат етілген және тыйым салынған зоналар енінің әртүрлі болуы) болуына байланысты.
2.1-сурет. Кристалдарда энергетикалық зоналардың түзілу сызбанұсқасы:
а - оқшау атомдағы энергетикалық деңгейлер; б - бір өлшемді кристалдағы атомдар; в - кристалл ішіндегі потенциал өрісі; г - энергетикалық зоналардың орналасуы
Зоналық құрылымның түзілуін әсерлесуші атомдардың потенциалдық энергиясының атомаралық қашықтыққа тәуелді U(r) өзгерісінен көруге болады. Атомдарды қатты денеге конденсациялағанда олардың дискретті деңгейлеріндегі электрондар үшін U(r) өзгерісін қарастырайық. Мысалға сілтілік металл Na-ді алайық. Na атомындағы электрондардың энергетикалық деңгейлері 2.2-суретте оң ординатада көрсетілген. 9 ішкі электрондар [1s, 2s,2p] тұйық қауыздар түзеді. Сыртқы 3s – валентті қауызда бір ғана электрон бар, ал келесі 3p қауызда тіпті еш электрон жоқ.
Атомдар жақындасқанда әрбір деңгейдің энергиясы төмендеп, минимум арқылы өтеді, сосын жоғарылай бастайды.
Бірақ бүкіл конденсацияланған жиынтықтағы әрбір N атомда берілген энергиясы бар электрон болуы керек, ал Паули принципі бойынша мұндай электрондар саны 2-ден көп болмау керек, онда әрбір х мәнінде энергиялары біршама өзгешеленетін N электрондар болады, бұл деңгейдің жайылып, бүтін жолақ зона түрінде көрсетілген.
Атомдар арақашықтығы азайған сайын 3s және 3p-қауыздарының деңгейлері жанасып, ақырында қабысады. Х-тің өте аз мәнінде бұл зоналар әрі қарай кеңейіп, терең жатқан деңгейлердің қабысуы жүзеге асады. Бірақ олардың зоналарға кеңеюі ядромен байланысы күшті болғандықтан әлсіз болады.
2.2-сурет. Натрий атомының дискретті энергетикалық деңгейле рінің металл натрийдің энергетикалық зоналарына көшуі:
хрк- кристалл тордағы атомдар арасындағы тепе-теңдік қашықтықтар