תאוריה של להקות מודל ודוגמאות

ה תורת הלהקה הוא אחד שמגדיר את המבנה האלקטרוני של מוצק בכללותו. זה יכול להיות מיושם על כל סוג של מוצק, אבל זה מתכות שבו ההצלחות הגדולות ביותר שלה משתקפים. על פי תיאוריה זו, הקשר המתכתי נובע מהמשיכה האלקטרוסטטית בין היונים שטעונים חיוביים, לבין האלקטרונים הניידים בגביש.

לכן, קריסטל מתכתי יש "ים של אלקטרונים", אשר יכול להסביר את תכונותיו הפיזיות. התמונה התחתונה ממחישה את הקישור המתכתי. נקודות סגול של האלקטרונים הם delocalised ב ים כי עוטף את אטומי המתכת טעונה חיובי.

"ים האלקטרונים" נוצר מתוך התרומות האישיות של כל אטום מתכת. תרומות אלה הן האטומים האורביטליים שלה. מבני המתכת הם בדרך כלל קומפקטי; ככל שהם קומפקטיים יותר, כך גדל האינטראקציה בין האטומים שלהם.

כתוצאה מכך, האורביטלים האטומיים שלהם חופפים ליצור אורביטלים מולקולריים צרים מאוד באנרגיה. ים האלקטרונים הוא רק קבוצה גדולה של אורביטלים מולקולריים עם טווחים שונים של אנרגיות. טווח האנרגיות הללו ממציא את מה שמכונה להקות אנרגיה.

להקות אלה נמצאות בכל אזור של הגביש, ולכן הוא נחשב כמכלול, ומכאן באה ההגדרה של תיאוריה זו.

אינדקס

• 1 דגם של להקות אנרגיה
  • 1.1 רמת פרמי
• מוליכים למחצה
  • 2.1 מוליכים למחצה פנימיים וחיצוניים
• 3 דוגמאות לתיאוריית הלהקה היישומית
• 4 הפניות

מודל להקות אנרגיה

כאשר המסלול של אטום המתכת מקיים אינטראקציה עם השכן שלו (N = 2), שני אורביטלים מולקולריים נוצרים: אחד של הקשר (הלהקה הירוקה) ואחד של הקישור (הלהקה האדומה כהה).

אם N = 3, שלושה אורביטלים מולקולריים נוצרים עכשיו, אשר באמצע אחד (הלהקה השחורה) אינו מחייב. אם N = 4, ארבעה אורביטלים נוצרים ואת אחד עם אופי מחייב ביותר ואת אחד עם הדמות הגדולה ביותר נגד הקפאה מופרדות עוד יותר.

טווח האנרגיה הזמין עבור אורביטלים מולקולריים מתרחב כאשר אטומי המתכת של הגביש מספקים את האורביטלים שלהם. זה גם גורם לירידה במרחב האנרגיה בין האורביטלים, עד כדי כך הם מתעבים בלהקה.

להקה המורכבת מאורביטלים יש אזורים של אנרגיה נמוכה (אלה של צבעים ירוקים וצהובים) ואנרגיה גבוהה (אלה של צבעי כתום ואדום). לקיצוניות האנרגטית שלהם יש צפיפות נמוכה; עם זאת, רוב האורביטלים המולקולריים (פס לבן) מרוכזים במרכז.

משמעות הדבר היא כי אלקטרונים "לרוץ מהר יותר" דרך מרכז הלהקה מאשר על הקצוות שלהם.

רמת פרמי

זוהי מדינת האנרגיה הגבוהה ביותר שנכבשה על ידי אלקטרונים במצב מוצק בטמפרטורת האפס המוחלטת (T = 0 K).

ברגע שהלהקה בנויה, האלקטרונים מתחילים לתפוס את כל האורביטלים המולקולריים שלהם. אם המתכת יש אלקטרון אחד valence (ים)¹), את כל האלקטרונים בגביש שלה יהיה לכבוש מחצית הלהקה.

המחצית האחרת ידועה כרכב הנהיגה, בעוד שהלהקה של האלקטרונים נקראת להקת הערכיות.

בתמונה העליונה A מייצג רצועת ערכיות טיפוסית (כחול) ורצועת הולכה (לבן) עבור מתכת. קו הגבול הכחלחל מציין את רמת פרמי.

בגלל מתכות יש גם p-orbitals, הם משלבים באותו אופן כדי להיווצר p- הלהקה (לבן).

במקרה של מתכות, להקות S ו- P הם מאוד קרובים באנרגיה. זה מאפשר חפיפות שלהם, קידום אלקטרונים מן הלהקה valence להקה הולכה. זה קורה אפילו בטמפרטורות מעט מעל 0 K.

עבור מתכות המעבר ומתקופה 4 כלפי מטה, ניתן גם להרכיב של להקות.

רמת פרמי ביחס להרכב ההולכה חשובה מאוד לקביעת המאפיינים החשמליים.

לדוגמה, מתכת Z עם רמת פרמי קרוב מאוד להקה ההולכה (הלהקה הריק הקרוב ביותר באנרגיה) יש מוליכות חשמלית גבוהה יותר מאשר מתכת X שבו רמת פרמי שלה רחוק מלהיות הלהקה..

מוליכים למחצה

מוליכות חשמלית אז מורכב הגירה של אלקטרונים מן הלהקה valence להקה הולכה.

אם פער האנרגיה בין שתי הלהקות הוא גדול מאוד, יש לנו בידוד מוצק (כמו עם B). מצד שני, אם פער זה הוא קטן יחסית, מוצק הוא מוליך למחצה (במקרה של C).

לנוכח עליית הטמפרטורה, האלקטרונים של הלהקה valence לרכוש מספיק אנרגיה כדי להגר לכיוון רצועת הולכה. התוצאה היא זרם חשמלי.

למעשה, זוהי איכות של מוצקים או חומרים מוליכים למחצה: בטמפרטורת החדר הם מבודדים, אבל בטמפרטורות גבוהות הם מנצחים.

מוליכים למחצה פנימיים וחיצוניים

מוליכים פנימיים הם אלה שבהם פער האנרגיה בין הלהקה הערכית לבין רצועת ההולכה הוא קטן מספיק, כך שהאנרגיה התרמית מאפשרת מעבר של אלקטרונים.

מצד שני, מוליכים חיצוניים להציג שינויים במבנים האלקטרוניים שלהם לאחר סימום עם זיהומים, אשר מגבירים את המוליכות החשמלית שלהם. טומאה זו יכולה להיות עוד מתכת או אלמנט מתכתי.

אם הטומאה יש יותר electronons valence, זה יכול לספק להקה התורם המשמש גשר עבור האלקטרונים של הלהקה valence לחצות להקה ההולכה. מוצקים אלה הם מוליכים למחצה מסוג n. כאן n ייעוד מגיע "שלילי".

בתמונה העליונה מודגמת הלהקה התורמת בבלוק הכחול ממש מתחת להרכב הנהיגה (סוג n).

מצד שני, אם הטומאה יש פחות אלקטרונים valence, הוא מספק bandor הלהקה, אשר מקצר את הפער האנרגיה בין הלהקה valence להקה נהיגה..

האלקטרונים הראשונים נודדים לכיוון הלהקה, ומשאירים מאחוריהם "חורים חיוביים", הנעים בכיוון ההפוך.

כמו אלה פערים חיוביים לסמן את המעבר של אלקטרונים, מוצק או חומר הוא מוליך למחצה מסוג p..

דוגמאות לתורת הלהקה החלתית

- הסבר מדוע מתכות בהירות: האלקטרונים הניידים שלהם יכולים לספוג קרינה בטווח רחב של אורכי גל כאשר הם קופצים לרמות אנרגיה גבוהות יותר. ואז הם פולטים אור, חוזרים לרמות נמוכות יותר של הלהקה.

- סיליקון גבישי הוא חומר המוליכים למחצה החשוב ביותר. אם חלק מסיליקון מסומם עם עקבות של אלמנט קבוצה 13 (B, אל, Ga, In, Tl), הוא הופך להיות מוליך למחצה מסוג p. בעוד שאם הוא מסומם עם אלמנט של קבוצה 15 (N, P, כמו, Sb, Bi) הוא הופך להיות מוליכים למחצה מסוג n.

- דיודה פולטת אור (LED) הוא מוליך למחצה משותף p-n. מה זאת אומרת? כי החומר יש שני סוגים של מוליכים למחצה, הן n ו- p. האלקטרונים נודדים מרצועת ההולכה של מוליכים למחצה מסוג n, אל רצועת הערכיות של מוליך למחצה מסוג p.

הפניות

1. ויטן, דייוויס, פק & סטנלי. כימיה (8th ed.). CENGAGE למידה, עמ '486-490.
2. צמרמורת & אטקינס. (2008). כימיה אנאורגנית (מהדורה רביעית, עמ '103-107, 633-635). מק גרב היל.
3. ספינה ר '(2016). תאוריית הלהקה של מוצקים. אוחזר ב -28 באפריל 2018, מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. סטיב קורניק (2011). הולך מ בונדס להקות מנקודת מבט של כימאי. אוחזר ב -28 באפריל 2018, מ: chembio.uoguelph.ca
5. ויקיפדיה. (2018). מוליך למחצה חיצוני. אוחזר ב -28 באפריל 2018, מ: en.wikipedia.org
6. של ביו. (2018). תורת הלהקה של מתכות. מאוחסן ב -28 באפריל 2018, מאת: byjus.com