TEORIE PÁSMA: MODEL A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2026

Teorie pásma je ta, která definuje elektronickou strukturu pevné látky jako celku. Může být aplikován na jakýkoli typ pevné látky, ale je to v kovech, kde se odrážejí jeho největší úspěchy. Podle této teorie je kovová vazba výsledkem elektrostatické přitažlivosti mezi kladně nabitými ionty a mobilními elektrony v krystalu.

Proto má kovový krystal „moře elektronů“, které může vysvětlit jeho fyzikální vlastnosti. Obrázek níže ukazuje kovové spojení. Fialové tečky elektronů jsou delokalizovány v moři, které obklopuje pozitivně nabité atomy kovů.

"Moře elektronů" je tvořeno z jednotlivých příspěvků každého atomu kovu. Tyto vstupy jsou vaše atomové orbitaly. Kovové struktury jsou obecně kompaktní; čím kompaktnější jsou, tím větší jsou interakce mezi jejich atomy.

V důsledku toho se jejich atomové orbitaly překrývají a vytvářejí velmi úzké molekulární orbitaly v energii. Moře elektronů pak není ničím jiným než velkým množstvím molekulárních orbitálů s různým rozsahem energií. Rozsah těchto energií tvoří to, co se nazývá energetické pásy.

Tyto pruhy jsou přítomny v jakýchkoli oblastech krystalu, proto je považován za celek a odtud vychází definice této teorie.

Model energetického pásma

Když orbitál kovového atomu interaguje s atomem jeho souseda (N = 2), vytvoří se dva molekulární orbitaly: jeden z vazby (zelený pruh) a druhý z anti-vazby (tmavě červený pruh).

Pokud N = 3, jsou nyní vytvořeny tři molekulární orbitaly, z nichž střední (černý pás) není vázán. Pokud N = 4, vytvoří se čtyři orbitaly a ten s největším vazebným znakem a ten s největším antiadhabilitním znakem se dále oddělí.

Rozsah energie dostupné molekulárním orbitálům se rozšiřuje, jak atomy kovů v krystalu přispívají svými orbitaly. To má také za následek zmenšení energetického prostoru mezi orbitaly do té míry, že se kondenzují do pásma.

Toto pásmo složené z orbitálů má oblasti s nízkou energií (ty barevné zelené a žluté) a vysokou energií (ty barevné oranžové a červené). Jeho energetické extrémy mají nízkou hustotu; ve středu je však většina molekulárních orbitálů koncentrována (bílý pruh).

To znamená, že elektrony „běží rychleji“ středem pásma než přes jeho konce.

Úroveň Fermi

Elektrická vodivost pak spočívá v migraci elektronů z valenčního pásma do vodivého pásma.

Pokud je energetická mezera mezi oběma pásy velmi velká, máte izolační těleso (jako u B). Na druhé straně, pokud je tato mezera relativně malá, je těleso polovodičem (v případě C).

Když se teplota zvýší, elektrony ve valenčním pásmu získají dostatek energie k migraci směrem k vodivému pásmu. Výsledkem je elektrický proud.

Ve skutečnosti jde o kvalitu pevných látek nebo polovodičových materiálů: při pokojové teplotě izolují, ale při vysokých teplotách jsou vodivé.

Vnitřní a vnější polovodiče

Vnitřní vodiče jsou ty, ve kterých je energetická mezera mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem dostatečně malá, aby tepelná energie umožnila průchod elektronů.

Na druhé straně, vnější vodiče vykazují změny ve svých elektronických strukturách po dopingu nečistotami, které zvyšují jejich elektrickou vodivost. Tato nečistota může být jiným kovovým nebo nekovovým prvkem.

Pokud nečistota obsahuje více valenčních elektronů, může poskytnout donorové pásmo, které slouží jako můstek pro přechod elektronů z valenčního pásma do vodivého pásma. Tyto pevné látky jsou polovodiče typu n. Zde n pochází z „negativního“.

Na horním obrázku je dárcovský pás zobrazen v modrém bloku těsně pod vodivým pásem (typ n).

Na druhé straně, pokud nečistota obsahuje méně valenčních elektronů, poskytuje akceptorové pásmo, které zkracuje energetickou mezeru mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem.

Elektrony nejprve migrují směrem k tomuto pásmu a zanechávají za sebou „pozitivní díry“, které se pohybují opačným směrem.

Protože tyto pozitivní díry označují průchod elektronů, je pevná látka nebo materiál polovodičem typu p.

Příklady aplikované teorie pásem

- Vysvětlete, proč jsou kovy lesklé: jejich pohybující se elektrony mohou absorbovat záření v širokém rozsahu vlnových délek, když skočí na vyšší energetické hladiny. Vyzařují světlo a vracejí se do nižších úrovní vodivého pásma.

- Krystalický křemík je nejdůležitější polovodičový materiál. Pokud je část křemíku dopována stopami prvku skupiny 13 (B, Al, Ga, In, Tl), stává se polovodičem typu p. Zatímco pokud je dotován prvkem skupiny 15 (N, P, As, Sb, Bi), stává se polovodičem typu n.

- Dioda emitující světlo (LED) je polovodič na desce pn. Co to znamená? Že materiál má oba typy polovodičů, n a p. Elektrony migrují z vodivého pásma polovodiče typu n do valenčního pásma polovodiče typu p.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chemie. (8. ed.). CENGAGE Learning, str. 486-490.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání., Str. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Teorie pásů těles. Citováno z 28. dubna 2018, z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Z Bondů na kapely z pohledu lékárny. Citováno z 28. dubna 2018, z: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Vnější polovodič. Citováno z 28. dubna 2018, z: en.wikipedia.org
6. BYJU. (2018). Teorie pásů kovů. Citováno 28. dubna 2018 z: byjus.com