Τι είναι οι ενεργειακές ζώνες

Η διάταξη των μορίων στα αέρια δεν είναι πολύ κοντινή, δηλαδή είναι πολύ μακριά και χαλαρά συσκευασμένα. Στα υγρά, η μοριακή διάταξη είναι μέτρια, που σημαίνει ότι τα μόρια απέχουν λίγο μεταξύ τους. Όταν πρόκειται για στερεά, τα μόρια είναι τόσο στενά συσκευασμένα ή δομημένα που τα ηλεκτρόνια (υποατομικά σωματίδια με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο) έλκονται στα τροχιακά των ατόμων γύρω τους. Ως αποτέλεσμα, όταν τα άτομα ενώνονται, τα τροχιακά των ηλεκτρονίων επικαλύπτονται. Η δημιουργία ζωνών ενέργειας, και όχι μεμονωμένων ενεργειακών επιπέδων, θα προκύψει από την ανάμειξη ατόμων σε αντικείμενα στερεάς κατάστασης. Οι ενεργειακές ζώνες είναι μια συλλογή ενεργειακών επιπέδων που είναι πυκνά ή σφιχτά συσκευασμένα.

Σχηματισμός ενεργειακής ζώνης

Τα ηλεκτρόνια ενός απομονωμένου ατόμου έχουν μια καθορισμένη ποσότητα ενέργειας σε κάθε τροχιά. Από την άλλη πλευρά, το ενεργειακό επίπεδο των ηλεκτρονίων της εξώτατης τροχιάς στα στερεά επηρεάζεται από τα κοντινά άτομα. Όταν δύο απομονωμένα φορτία τοποθετούνται κοντά μεταξύ τους, τα ηλεκτρόνια στην εξώτατη τροχιά αισθάνονται μια ελκυστική έλξη από τον πλησιέστερο ή γειτονικό ατομικό πυρήνα.

Ως αποτέλεσμα, οι ενέργειες των ηλεκτρονίων δεν θα είναι ίσες και τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων θα αλλάξουν σε μια τιμή που είναι μεγαλύτερη ή χαμηλότερη από το αρχικό επίπεδο ενέργειας του ηλεκτρονίου. Αντίθετα, η ενέργεια των ηλεκτρονίων της εσωτερικής τροχιάς δεν επηρεάζεται από την παρουσία γειτονικών ατόμων.

Τα ηλεκτρόνια στην ίδια τροχιά έχουν διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Ο όρος «ενεργειακή ζώνη» σχετίζεται με τον τρόπο που ταξινομούνται αυτά τα διάφορα επίπεδα ενέργειας.

Θεωρία ενεργειακών ζωνών

Το κέλυφος κάθε ατόμου, σύμφωνα με τη θεωρία του Bohr, έχει μια πεπερασμένη ποσότητα ενέργειας σε διάφορα επίπεδα. Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων μεταξύ των εξωτερικών και εσωτερικών φλοιών εξηγείται από τη θεωρία της ενεργειακής ζώνης. Σύμφωνα με τη θεωρία της ενεργειακής ζώνης, υπάρχουν τρεις διακριτές ενεργειακές ζώνες:

1. Ζάντα σθένους
2. Απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα
3. Ζάντα αγωγιμότητας

Ταξινόμηση ενεργειακών ζωνών

Ζάντα σθένους

Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό περίβλημα. Τα ηλεκτρόνια σθένους σχηματίζουν τη ζώνη σθένους, μια ενεργειακή ζώνη με ποικίλα ενεργειακά επίπεδα. Η ζώνη σθένους έχει την περισσότερη ενέργεια που καταλαμβάνει.

Ζάντα αγωγιμότητας

Επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους συνδέονται ασθενώς με τον πυρήνα, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, μερικά από αυτά εγκαταλείπουν την εξώτατη τροχιά και γίνονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αναφέρονται ως ηλεκτρόνια αγωγιμότητας λόγω της ικανότητάς τους να μεταφέρουν ρεύμα στους αγωγούς. Η ζώνη αγωγιμότητας έχει τα χαμηλότερα επίπεδα κατειλημμένης ενέργειας και περιλαμβάνει ηλεκτρόνια αγωγιμότητας.

Απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα

Το απαγορευμένο κενό είναι η περιοχή μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το απαγορευμένο χάσμα δεν έχει ενέργεια και δεν παραμένουν ηλεκτρόνια σε αυτή τη ζώνη. Εάν το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα είναι μεγαλύτερο, τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους συνδέονται με ασφάλεια ή είναι σταθερά συνδεδεμένα με τον πυρήνα. Θα χρειαστούμε μια συγκεκριμένη ποσότητα εξωτερικής ενέργειας για να καλύψουμε το περιορισμένο ενεργειακό κενό.

Τύποι ενεργειακών ζωνών

Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι ζωνών ενέργειας:

1. Μονωτές
2. μαέστροι
3. Ημιαγωγοί

Μονωτές

Οι μονωτές είναι ουσίες ή υλικά που δεν αγώγουν ούτε επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να περάσει μέσα από αυτά. Το περιορισμένο ενεργειακό κενό των μονωτών είναι αρκετά μεγάλο ώστε να εμποδίζει τη ροή του ηλεκτρισμού. Το καουτσούκ και το ξύλο είναι δύο παραδείγματα μονωτών.

Μαθητές

Ο αγωγός είναι ένα υλικό στο οποίο το απαγορευμένο ενεργειακό κενό, όπως η ζώνη σθένους, εξαφανίζεται και η ζώνη αγωγιμότητας πλησιάζει το σημείο όπου οι δύο ζώνες επικαλύπτονται μερικώς. Οι πιο συνηθισμένοι αγωγοί είναι ο χρυσός, το αλουμίνιο, ο χαλκός και ο χρυσός. Η ποσότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων που είναι προσβάσιμα σε θερμοκρασία δωματίου είναι τεράστια.

Ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά ή ουσίες με αγωγιμότητα στην περιοχή των αγωγών έως τους μονωτές. Στους ημιαγωγούς, το απαγορευμένο ενεργειακό κενό είναι πολύ μικρό και η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί μόνο εάν παρέχεται εξωτερική ενέργεια. Για να αναφέρουμε μερικά, στους ημιαγωγούς περιλαμβάνονται το γερμάνιο και το πυρίτιο.

Συμπέρασμα

Τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια έχουν όλα ξεχωριστές μοριακές διατάξεις. Είναι οργανωμένα σφιχτά σε στερεά έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα του μορίου να ταξιδεύουν στο τροχιακό των γύρω ατόμων. Στα αέρια, η μοριακή οργάνωση είναι πολύπλοκη, αλλά στα υγρά είναι μέτρια. Ως αποτέλεσμα, καθώς τα άτομα πλησιάζουν το ένα το άλλο, τα τροχιακά ηλεκτρονίων τα καλύπτουν εν μέρει. Τα επίπεδα των ενεργειακών ζωνών παράγονται ως αποτέλεσμα της συγχώνευσης ατόμων μέσα στα υλικά και όχι ως αποτέλεσμα μεμονωμένων ενεργειακών επιπέδων. Μια ενεργειακή ζώνη είναι ένα σύμπλεγμα από στενά συσκευασμένα επίπεδα ενέργειας.