Cos'è la teoria della banda?

Cos'è la teoria della banda?

Struttura delle bande di energia per un vetro di sodio metallico. Le frecce rappresentano gli elettroni. Ogni atomo di sodio ha 11 elettroni. 10 di essi sono in orbitali interni e l'unico elettrone a Valencia si trova nella banda di Valencia, mentre la fascia di guida è vuota

IL Teoria della banda È usato per spiegare come gli atomi di metallo si legano tra loro e perché sono conduttori di elettricità così buoni mentre altri materiali sono isolanti. In altre parole, È una teoria che spiega come funziona il collegamento metallico.

In qualsiasi pezzo di metallo, come in un chiodo o in un pezzo di cavo di rame, ad esempio, gli atomi sono molto vicini e molto vicini l'uno all'altro.

Secondo la teoria delle bande, a causa di questa vicinanza, i suoi orbitali atomici (il luogo in cui si trovano i loro elettroni) sono miscelati per formare un singolo orbitale gigante che ricorda una "banda" più di un orbitale.

Quando ciò accade, si formano due bande fondamentalmente che sono la banda di Valencia e la banda di guida (motivo per cui la teoria del plurale in banda).

La banda Valencia

Questa banda è formata dalla combinazione degli orbitali di Valencia di ciascun atomo. Questi sono gli ultimi orbitali che sono occupati da elettroni in ogni singolo atomo.

La banda Valencia è il luogo in cui gli elettroni di un metallo si trovano quando gli atomi sono rilassati. Cioè, quando non sono stati eccitati dall'applicazione di un potenziale elettrico, per esempio.

La fascia di guida

La banda di guida è formata dalla combinazione del primo orbitale non occupato o vuoto di ciascun atomo. Di solito, la fascia di guida è formata da orbitali P o D che si sovrappongono tra loro. Ciò dà origine a una banda che ricorda un'autostrada che attraversa lo spazio sopra e sotto gli strati di atomi.

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Quando un elettrone entra nello strato di guida, si dice che sia "democalizzato", poiché può essere spostato liberamente da un posto all'altro e non si trova attorno a un particolare atomo.

Un'utile analogia

Per capire meglio quale sia la struttura delle bande formate nei metalli, è conveniente usare alcune analogie.

Possiamo immaginare un solido di qualsiasi sostanza come se fosse un edificio in cui ogni appartamento rappresenta un atomo e all'interno di ogni appartamento, le stanze con il rispettivo letto possono essere viste come gli orbitali in cui risiedono gli elettroni.

Un solido può essere immaginato come un condominio in cui ogni appartamento è un atomo e gli elettroni trovati in essi possono spostarsi da un appartamento a un altro

In un Materiale non conduttore, Tutti gli elettroni si trovano attorno al rispettivo atomo. Questo è lo stesso di dire che ogni appartamento è chiuso e che gli elettroni non sono liberi di spostarsi da un "appartamento" all'altro (cioè da un atomo all'altro), semplicemente perché è necessaria molta energia per aprire tutte le porte E esci.

D'altra parte, in a Materiale conduttivo Come un metallo, le cose sono molto diverse. Gli atomi sono così vicini tra loro, che i loro orbitali (le stanze) si combinano tra loro per formare un singolo orbitale gigante. Questo sarebbe come bussare a tutte le pareti su un pavimento e fare un'unica sala comune piena di letti.

Questa stanza gigante sarebbe l'equivalente del "Valencia Band", In cui gli elettroni sono nei rispettivi letti, ma tutti sono nella stessa stanza. Oltre a formare questa stanza, proprio accanto ad essa puoi ottenere una vasta sala che gli elettroni possono usare per spostarsi da un posto a un altro.

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Questo grande corridoio rappresenta quello che chiamiamo "fascia di guida". Quando gli elettroni sono nella sala, non si trovano in un particolare atomo (sono democati) e possono essere spostati liberamente da un posto all'altro senza alcun problema.

Conduzione elettrica e teoria della banda

Una volta compresa la formazione di valencia e bande di guida, è facile capire perché alcuni materiali sono buoni driver e perché altri non lo fanno.

La chiave per la conduzione elettrica è quanto sia difficile spostare o eccitare gli elettroni trovati nella banda di Valencia alla banda di guida.

Questo dipende solo da quanto sono vicini i livelli di energia di entrambe le bande. A seconda di questa differenza di energia, si possono distinguere tre tipi di materiali:

Materiali conduttivi

I materiali conduttivi, come i metalli, sono caratterizzati dall'avere Valencia e fasce di guida praticamente insieme E quasi senza differenza energetica tra l'uno e l'altro.

Ciò significa che l'eccitazione minimale.

Secondo la suddetta analogia, questo sarebbe come dire che non c'è quasi nulla per separare la sala comune (la banda di Valencia) dalla sala (la fascia di guida). Per questo motivo, un elettrone può facilmente raggiungere la sala, senza alcuna porta che ne impedisce il passaggio.

Una stanza senza pareti e con molti letti, è un'immagine simile alla banda Valencia che si forma in un metallo. Gli elettroni possono passare facilmente da un posto all'altro attraverso le sale, che sono equivalenti alla banda di guida

Materiali non conduttori o isolanti

Cosa succede a materiali come materie plastiche o legno che non conducono elettricità? In caso di materiali isolanti, la banda di Valencia e la banda di guida hanno differenze di energia molto grandi.

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Ciò significa che, per prendere un elettrone dallo strato di Valencia alla guida.

Nell'analogia dell'edificio, questo può essere visto mentre gli elettroni devono attraversare molte porte chiuse per uscire dalle loro stanze nel corridoio. Sono letteralmente intrappolati nei loro rispettivi atomi.

Materiali a semiconduttore

Tra i materiali conduttivi e non conduttori possiamo trovare un terzo gruppo di materiali chiamati semiconduttori.

In questi materiali, le bande di Valencia e di guida non sono accanto all'altra come nei materiali conduttivi, quindi c'è un divario energetico che gli elettroni devono superare per poter passare alla banda di guida. Tuttavia, questo divario o la differenza di energia non è elevato come nel caso dei materiali non conduttori.

Il divario energetico tra le due bande non consente a questi materiali di guidare l'elettricità a basse temperature. Tuttavia, quando la temperatura è aumentata, l'energia delle vibrazioni degli atomi è sufficiente per eccitare alcuni elettroni per la fascia di guida, quindi il materiale può condurre l'elettricità.

Poiché questi materiali sono talvolta isolanti e talvolta sono conduttori, allora sono chiamati materiali a semiconduttore. Alcuni esempi di questo tipo di materiali sono silicio, gallio e selenio.