Was ist Bandtheorie?

Was ist Bandtheorie?

Struktur von Energienbändern für ein metallisches Natriumglas. Die Pfeile repräsentieren die Elektronen. Jedes Natriumatom hat 11 Elektronen. 10 davon befinden sich in internen Orbitalen, und das einzige Elektron in Valencia befindet sich im Valencia -Band, während das Fahrband leer ist

Der Bandtheorie Es wird verwendet, um zu erklären, wie Metallatome aneinander binden und warum sie so gute Stromleiter sind, während andere Materialien isoliert sind. Mit anderen Worten, Es ist eine Theorie, die erklärt, wie der metallische Link funktioniert.

In jedem Stück Metall, wie in einem Nagel oder in einem Stück Kupferkabel, sind die Atome beispielsweise sehr nahe und sehr nahe beieinander.

Nach der Theorie der Bänder sind aufgrund dieser Nähe ihre atomaren Orbitale (der Ort, an dem ihre Elektronen gefunden werden) gemischt, um ein einzelnes Riesenorbital zu bilden, das mehr als einem Orbital als einem "Band" ähnelt als ein Orbital.

In diesem Fall werden zwei Bänder gebildet, die die Valencia -Band und die Fahrband sind (weshalb der Plural in der Bandtheorie).

Die Valencia Band

Diese Bande wird durch die Kombination der Valencia -Orbitale jedes Atoms gebildet. Dies sind die letzten Orbitale, die in jedem einzelnen Atom von Elektronen besetzt sind.

Das Valencia -Band ist der Ort, an dem sich die Elektronen eines Metalls befinden, wenn die Atome entspannt sind. Das heißt, wenn sie beispielsweise nicht durch die Anwendung eines elektrischen Potentials begeistert sind.

Die treibende Band

Das Fahrband wird durch die Kombination der ersten nicht besetzten oder leeren Orbitale jedes Atoms gebildet. Normalerweise wird das Fahrband durch P- oder D -Orbitale gebildet, die sich miteinander überlappen. Dies führt zu einer Band.

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Wenn ein Elektron in die Fahrschicht eintritt.

Eine nützliche Analogie

Um besser zu verstehen, was die Struktur der in Metallen gebildeten Bänder ist, ist es zweckmäßig, einige Analogien zu verwenden.

Wir können uns vorstellen, dass sich ein Feststoff jeder Substanz befindet, als wäre es ein Gebäude, in dem jede Wohnung ein Atom darstellt, und in jeder Wohnung können die Räume mit ihrem jeweiligen Bett als Orbitale angesehen werden, in denen sich die Elektronen befinden.

Ein Feststoff kann sich als Wohnungsgebäude vorstellen, in dem jede Wohnung ein Atom ist, und die in ihnen enthaltenen Elektronen können sich von einer Wohnung in eine andere bewegen

In einem Nicht -Leitermaterial, Alle Elektronen befinden sich um ihr jeweiliges Atom. Dies ist dasselbe wie die Aussage, dass jede Wohnung geschlossen ist und die Elektronen nicht frei von einer "Wohnung" zum anderen wechseln können (dh von einem Atom zum anderen), einfach weil viel Energie erforderlich ist, um alle Türen zu öffnen und gehen aus.

Andererseits in a Leitendes Material Wie ein Metall sind die Dinge sehr unterschiedlich. Die Atome sind so nahe beieinander, dass sich ihre Orbitale (die Räume) miteinander verbinden, um ein einzelnes Riesenorbital zu bilden. Dies wäre, als würde man alle Wände auf einem Boden klopfen und ein einzelnes Gemeinschaftsraum voller Betten machen.

Dieser riesige Raum wäre das Äquivalent des "Valencia Band”, In dem sich die Elektronen in ihren jeweiligen Betten befinden, aber alle befinden sich im selben Raum. Zusätzlich zu diesem Raum können Sie eine breite Halle erhalten, mit der Elektronen von einem Ort zum anderen wechseln können.

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Dieser große Korridor repräsentiert das, was wir das nennen "Fahrband". Wenn sich die Elektronen in der Halle befinden, befinden sie sich nicht in einem bestimmten Atom (sie werden demoziert) und können ohne Probleme frei von einem Ort zum anderen bewegt werden.

Elektrische Leitung und Bandtheorie

Sobald die Bildung von Valencia und Fahrbändern verstanden wird, ist es leicht zu verstehen, warum einige Materialien gute Treiber sind und warum andere nicht.

Der Schlüssel zur elektrischen Leitung ist, wie schwierig es ist, die im Valencia -Band gefundenen Elektronen zum Fahrband zu bewegen oder zu erregen.

Dies hängt nur davon ab, wie nahe die Energieniveaus beider Bänder sind. Abhängig von dieser Energiedifferenz können drei Arten von Materialien unterschieden werden:

Leitfähige Materialien

Leitfähige Materialien wie Metalle zeichnen sich durch Have gekennzeichnet Valencia und Fahrbänder praktisch zusammen Und fast ohne Energieunterschied zwischen dem und dem anderen.

Dies bedeutet, dass die minimale Erregung.

Nach der oben genannten Analogie wäre dies so, als würde man sagen, dass es fast nichts gibt, was den Gemeinschaftsraum (das Valencia -Band) von der Halle (das Fahrband) trennen kann, nicht zu trennen. Aus diesem Grund kann ein Elektron leicht die Halle erreichen, ohne eine Tür, die seinen Durchgang verhindert.

Ein Raum ohne Wände und mit vielen Betten ist ein Bild ähnlich wie das Valencia -Band, das in einem Metall gebildet wird. Elektronen können leicht von einem Ort zum anderen durch die Hallen übergehen, die dem Fahrband gleichwertig sind

Nicht -Leiter- oder Isoliermaterialien

Was passiert mit Materialien wie Kunststoffen oder Holz, die keinen Strom leiten?? In Fällen von Isoliermaterialien haben das Valencia -Band und das Fahrband sehr große Energieunterschiede.

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Dies bedeutet, dass, um ein Elektron von der Valencia -Schicht zum Fahren zu nehmen.

In der Analogie des Gebäudes kann dies als Elektronen angesehen werden. Sie sind buchstäblich in ihren jeweiligen Atomen gefangen.

Halbleitermaterialien

Zwischen den leitenden und nicht leitenden Materialien finden wir eine dritte Gruppe von Materialien, die als Halbleiter bezeichnet werden.

In diesen Materialien befinden sich die Valencia und die Antriebsbänder nicht neben den anderen wie in den leitenden Materialien. Daher gibt es eine Energielücke, die die Elektronen überwinden müssen, um an das Fahrband übergehen zu können. Diese Lücke oder Energiedifferenz ist jedoch nicht so hoch wie bei Nicht -Leitungsmaterialien.

Die Energielücke zwischen den beiden Bändern lässt diese Materialien nicht bei niedrigen Temperaturen Elektrizität treiben. Wenn jedoch die Temperatur erhöht wird.

Da diese Materialien manchmal isolieren und manchmal Leiter sind, werden sie Halbleitermaterialien bezeichnet. Einige Beispiele für diese Art von Materialien sind Silizium, Gallium und Selen.