O que é teoria da banda?

O que é teoria da banda?

Estrutura das faixas de energia para um vidro de sódio metálico. As setas representam os elétrons. Cada átomo de sódio tem 11 elétrons. 10 deles estão em orbitais internos, e o único elétron em Valência está localizado na banda de Valência, enquanto a banda de direção está vazia

O Teoria da banda É usado para explicar como os átomos de metal se ligam e por que são condutores de eletricidade tão bons, enquanto outros materiais são isolantes. Em outras palavras, É uma teoria que explica como funciona o link metálico.

Em qualquer pedaço de metal, como em um prego ou em um pedaço de cabo de cobre, por exemplo, os átomos estão muito próximos e muito próximos um do outro.

De acordo com a teoria das bandas, devido a essa proximidade, seus orbitais atômicos (o local onde seus elétrons são encontrados) são misturados para formar um único orbital gigante que se assemelha a uma "banda" mais do que um orbital do que um orbital.

Quando isso acontece, duas bandas são formadas basicamente que são a banda de Valência e a banda de direção (e é por isso que o plural na teoria da banda).

A banda de Valência

Esta banda é formada pela combinação dos orbitais de Valência de cada átomo. Estes são os últimos orbitais ocupados por elétrons em cada átomo individual.

A banda de Valência é o local onde os elétrons de um metal estão localizados quando os átomos são relaxados. Isto é, quando eles não foram empolgados com a aplicação de um potencial elétrico, por exemplo.

A banda de direção

A banda de direção é formada pela combinação dos primeiros orbitais desocupados ou vazios de cada átomo. Geralmente, a faixa de direção é formada por orbitais P ou D que se sobrepõem. Isso dá origem a uma banda que se assemelha a uma estrada que passa pelo espaço que está acima e abaixo das camadas de átomos.

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Quando um elétron entra na camada de direção, diz -se que é "democalizado", pois pode ser movido livremente de um lugar para outro e não está localizado em torno de nenhum átomo em particular.

Uma analogia útil

Para entender melhor qual é a estrutura das bandas que são formadas em metais, é conveniente usar algumas analogias.

Podemos imaginar um sólido de qualquer substância como se fosse um edifício no qual cada apartamento represente um átomo e, dentro de cada apartamento, os quartos com seu respectivo leito podem ser vistos como os orbitais onde os elétrons residem.

Um sólido pode ser imaginado como um prédio em que cada apartamento é um átomo, e os elétrons encontrados neles podem se mover de um apartamento para outro

Em um Material não -condutor, Todos os elétrons estão localizados em torno de seus respectivos átomos. É o mesmo que dizer que cada apartamento está fechado e os elétrons não estão livres para passar de um "apartamento" para outro (isto é, de um átomo para outro), simplesmente porque muita energia é necessária para abrir todas as portas e saia.

Por outro lado, em um Material condutor Como um metal, as coisas são muito diferentes. Os átomos estão tão próximos um do outro, que seus orbitais (os quartos) se combinam para formar um único orbital gigante. Seria como bater em todas as paredes no chão e fazer uma única sala comum cheia de camas.

Esta sala gigante seria o equivalente ao "Banda de Valencia”, Em que os elétrons estão em seus respectivos leitos, mas todos estão na mesma sala. Além de formar esta sala, ao lado dela, você pode obter um salão amplo que os elétrons podem usar para se mover de um lugar para outro.

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Este grande corredor representa o que chamamos de "Banda de direção". Quando os elétrons estão no salão, eles não estão localizados em nenhum átomo em particular (são democados) e podem ser movidos livremente de um lugar para outro sem nenhum problema.

Condução elétrica e teoria da banda

Uma vez que a formação de Bandas de Valencia e Driving é entendida, é fácil entender por que alguns materiais são bons motoristas e por que outros não.

A chave para a condução elétrica é o quão difícil é mover ou excitar os elétrons encontrados na banda de Valência para a banda de direção.

Isso depende apenas de quão próximos os níveis de energia de ambas as bandas estão. Dependendo dessa diferença de energia, três tipos de materiais podem ser distinguidos:

Materiais condutores

Materiais condutores, como metais, são caracterizados por ter Valência e bandas de direção praticamente juntas E quase sem diferença de energia entre um e o outro.

Isso significa que a excitação mínima.

De acordo com a analogia acima mencionada, seria como dizer que quase não há nada para separar a sala comum (a banda de Valência) do salão (a banda de direção). Por esse motivo, um elétron pode chegar facilmente ao salão, sem qualquer porta que impeça sua passagem.

Uma sala sem paredes e com muitas camas é uma imagem semelhante à banda de Valência formada em um metal. Os elétrons podem passar facilmente de um lugar para outro através dos corredores, que são equivalentes à banda de direção

Não -condutor ou materiais isolantes

O que acontece com materiais como plásticos ou madeira que não conduzem eletricidade? Nos casos de materiais isolantes, a banda de Valência e a banda de direção têm diferenças de energia muito grandes.

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Isso significa que, para pegar um elétron da camada de Valência para dirigir.

Na analogia do edifício, isso pode ser visto como elétrons deve passar por muitas portas fechadas para sair de seus quartos para o corredor. Eles estão literalmente presos em seus respectivos átomos.

Materiais semicondutores

Entre os materiais condutores e não -condutores, podemos encontrar um terceiro grupo de materiais chamados semicondutores.

Nesses materiais, as bandas de Valência e Driving não estão próximas ao outro, como nos materiais condutores, então há uma lacuna de energia que os elétrons devem superar para poder passar para a banda de direção. No entanto, essa diferença de lacuna ou energia não é tão alta quanto no caso de materiais não -condutores.

A diferença de energia entre as duas bandas não permite que esses materiais acionem a eletricidade a baixas temperaturas. No entanto, quando a temperatura é aumentada, a energia das vibrações dos átomos é suficiente para excitar alguns elétrons para a banda de condução, para que o material possa conduzir a eletricidade.

Como esses materiais às vezes são isolantes e às vezes são condutores, são chamados de materiais semicondutores. Alguns exemplos desse tipo de materiais são silício, gálio e selênio.