Band Theory of Solids

Στη φυσική στερεάς κατάστασης, η θεωρία ζωνών είναι ένα θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει τις καταστάσεις των ηλεκτρονίων σε στερεά υλικά που μπορούν να έχουν ενεργειακές τιμές μόνο εντός ορισμένων ορίων. Η συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου (και επομένως η ενέργειά του) σε ένα στερεό επηρεάζεται από τη συμπεριφορά όλων των άλλων σωματιδίων που βρίσκονται στη γύρω περιοχή. Αυτό έρχεται σε πλήρη αντίθεση με το πώς ένα ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται στον ελεύθερο χώρο, όπου μπορεί να έχει οποιαδήποτε ενέργεια. Οι περιοχές των επιτρεπόμενων ενεργειών ηλεκτρονίων σε ένα στερεό αναφέρονται ως επιτρεπόμενες ζώνες. Οι επιτρεπόμενες ζώνες είναι ενεργειακές περιοχές μεταξύ δύο επιτρεπόμενων ζωνών στις οποίες τα ηλεκτρόνια εντός του στερεού δεν επιτρέπεται να έχουν αυτές τις ενέργειες.

Θεωρία ζωνών στερεών

Η θεωρία ζωνών των στερεών διαφέρει από άλλες θεωρίες στο ότι τα άτομα είναι διατεταγμένα σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, τα επίπεδα ενέργειας των εξώτατων τροχιακών ηλεκτρονίων αλλάζουν. Το ενεργειακό επίπεδο των εσωτερικών ηλεκτρονίων, από την άλλη πλευρά, δεν επηρεάζεται από τα κοντινά άτομα. Είναι μια υπόθεση που περιγράφει πώς ένα ηλεκτρόνιο παίρνει μια κβαντική κατάσταση μέσα σε ένα μεταλλικό στερεό. Κάθε μόριο έχει έναν αριθμό διαφορετικών επιπέδων ενέργειας. Αυτή η θεωρία εξηγεί πώς τα ηλεκτρόνια δρουν μέσα σε ένα μόριο με μεγάλη λεπτομέρεια. Τα ηλεκτρόνια στα άτομα ολοκληρώνουν τις αντίστοιχες ενεργειακές τροχιές τους σύμφωνα με την αρχή αποκλεισμού του Pauli. Δύο ατομικά τροχιακά ενώνονται για να δημιουργήσουν μια μοριακή τροχιά με δύο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας σε μόρια.

Επιπλέον, 1023 στοιβαγμένες γραμμές που περιέχονται σε ένα μικρό χώρο θα εμφανίζονται ως ζώνη σε στερεά. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζει ένα ενεργειακό συνεχές γνωστό ως ενεργειακές ζώνες. Με αυτήν τη θεωρία, μπορούμε να απεικονίσουμε όλες τις προσιτές ενέργειες για τα ηλεκτρόνια στα υλικά, κάτι που είναι ένας εξαιρετικά χρήσιμος τρόπος για να δείξουμε τη διαφορά μεταξύ αγωγών, μονωτών και ημιαγωγών.

Ως αποτέλεσμα, αντί για διακριτές ενέργειες όπως αυτές που βρίσκονται στα αδέσμευτα άτομα, τα πιθανά ενεργειακά επίπεδα οργανώνονται σε ζώνες. Υπάρχουν πολλαπλές ζώνες ενέργειας στη θεωρία εντός ζώνης στερεών. Οι παρακάτω είναι οι πιο σημαντικές ενεργειακές ζώνες στα στερεά, δηλαδή:

Ζώνη σθένους

Η ζώνη σθένους είναι η ενεργειακή ζώνη που περιέχει τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων σθένους. Αυτή η ταινία μπορεί να βρεθεί κάτω από τη ζώνη αγωγιμότητας. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια σε αυτή τη ζώνη είναι στενά συνδεδεμένα με τον πυρήνα του ατόμου και δεν είναι ελεύθερα να κινηθούν.

Ζάντα αγωγιμότητας

Αυτή η ενεργειακή ζώνη περιέχει το ενεργειακό επίπεδο των μη δεσμευμένων ηλεκτρονίων. Η εξωτερική ενέργεια πρέπει να εφαρμόζεται με τέτοιο τρόπο ώστε τα ηλεκτρόνια σθένους να πιέζουν προς τη ζώνη αγωγιμότητας και να γίνονται ελεύθερα προκειμένου τα ηλεκτρόνια να είναι ελεύθερα.

Απαγορευμένη ζώνη

Αυτή είναι η διαφορά ενέργειας μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως το απαγορευμένο κενό. Το απαγορευμένο διάκενο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός στερεού. Επιπλέον, μπορούμε να ταξινομήσουμε τα υλικά σε αγωγούς, ημιαγωγούς ή μονωτές.

Ενεργειακή ζώνη

Τα άτομα που βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο λόγω αλλαγών στα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων μέσα στο περίβλημά τους αναφέρονται ως ενεργειακές ζώνες. Τα μόρια στα στερεά είναι δομημένα με τέτοιο τρόπο ώστε τα άτομα τείνουν να ταξιδεύουν στις τροχιές των ατόμων που βρίσκονται πιο κοντά τους. Ως αποτέλεσμα, όταν τα άτομα συγκρούονται, οι τροχιές των ηλεκτρονίων επικαλύπτονται. Αρκετές ζώνες ενεργειακών επιπέδων παράγονται από το συνδυασμό ατόμων σε στερεή κατάσταση. Ενεργειακές ζώνες είναι τα ονόματα που δίνονται σε αυτά τα επίπεδα ενέργειας.

Σχηματισμός ενεργειακής ζώνης

Τα μόρια σε αέριες ουσίες ομαδοποιούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Είναι πιο κοντά το ένα στο άλλο όταν βρίσκονται σε υγρές ουσίες. Σε ένα μόνο άτομο, τα ηλεκτρόνια σε κάθε τροχιά έχουν μια ακριβή ποσότητα ενέργειας. Όλα τα άτομα στα στερεά είναι πυκνά συσκευασμένα μεταξύ τους. Λόγω των γύρω ατόμων, αυτό έχει αντίκτυπο στο ενεργειακό επίπεδο των ηλεκτρονίων στην εξωτερική τροχιά. Όταν δύο μεμονωμένα άτομα ενώνονται, τα ηλεκτρόνια στις εξωτερικές τροχιές ενός από τα άτομα ωθούνται από το άτομο πιο κοντά σε αυτό. Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων μεταβάλλονται ως αποτέλεσμα αυτής της δράσης. Αυτό σημαίνει ότι τα επίπεδα ενέργειας θα είναι διαφορετικά. Η τιμή των ηλεκτρονίων τροποποιείται σε υψηλότερο ή χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας από το αρχικό επίπεδο ενέργειας του ηλεκτρονίου.

Κάθε φορά, τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων στην ίδια τροχιά είναι διαφορετικά. Η ενεργειακή ζώνη παράγεται όταν αυτά τα διάφορα επίπεδα ενέργειας ομαδοποιηθούν. Τα άτομα που βρίσκονται πιο κοντά στα ηλεκτρόνια στις εσωτερικές τροχιές δεν έχουν καμία επίδραση στα ενεργειακά τους επίπεδα.

Συμπέρασμα

Στη φυσική στερεάς κατάστασης, η θεωρία ζωνών είναι ένα θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει τις καταστάσεις των ηλεκτρονίων σε στερεά υλικά που μπορούν να έχουν ενεργειακές τιμές μόνο εντός ορισμένων ορίων. Η θεωρία ζωνών των στερεών διαφέρει από άλλες θεωρίες στο ότι τα άτομα είναι διατεταγμένα σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Αυτή η θεωρία εξηγεί πώς τα ηλεκτρόνια δρουν μέσα σε ένα μόριο με μεγάλη λεπτομέρεια. Δύο ατομικά τροχιακά ενώνονται για να δημιουργήσουν μια μοριακή τροχιά με δύο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας σε μόρια. Η ζώνη σθένους είναι η ενεργειακή ζώνη που περιέχει τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων σθένους.