TEÓRIA PÁSMA: MODEL A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Teória pásma je taká, ktorá definuje elektronickú štruktúru pevnej látky ako celku. Môže byť aplikovaný na akýkoľvek druh pevnej látky, ale je to v kovoch, kde sa odrážajú jeho najväčšie úspechy. Podľa tejto teórie je kovová väzba výsledkom elektrostatickej príťažlivosti medzi kladne nabitými iónmi a mobilnými elektrónmi v kryštáli.

Preto má kovový kryštál „more elektrónov“, ktoré môže vysvetliť jeho fyzikálne vlastnosti. Obrázok nižšie zobrazuje kovové spojenie. Purpurové bodky elektrónov sa delokalizujú v mori, ktoré obklopuje pozitívne nabité atómy kovu.

„More elektrónov“ je tvorené z jednotlivých príspevkov každého atómu kovu. Tieto vstupy sú vaše atómové orbitály. Kovové štruktúry sú všeobecne kompaktné; čím sú kompaktnejšie, tým väčšie sú interakcie medzi ich atómami.

V dôsledku toho sa ich atómové orbitály prekrývajú a vytvárajú veľmi úzke molekulárne orbitaly v energii. More elektrónov potom nie je ničím iným než veľkým súborom molekulárnych orbitálov s rôznymi rozsahmi energií. Rozsah týchto energií tvorí tzv. Energetické pásma.

Tieto pásy sú prítomné v ktorejkoľvek oblasti kryštálu, preto sa považuje za celok a odtiaľ vychádza definícia tejto teórie.

Model energetického pásma

Keď orbitál kovového atómu interaguje s atómom jeho suseda (N = 2), vytvoria sa dva molekulárne orbitaly: jeden z väzby (zelený pruh) a druhý z anti-väzby (tmavo červený pruh).

Ak N = 3, vytvoria sa tri molekulárne orbitaly, z ktorých stredný (čierny pás) je neviazaný. Ak N = 4, vytvoria sa štyri orbitaly a jeden s najväčším väzobným charakterom a druhý s najväčším antiadhezívnym charakterom sa ďalej oddeľujú.

Rozsah energie dostupnej pre molekulárne orbitaly sa rozširuje, keď atómy kovu v kryštáli prispievajú svojimi orbitálmi. To tiež vedie k zmenšeniu energetického priestoru medzi obežnými dráhami do tej miery, že sa kondenzujú do pásma.

Toto pásmo zložené z orbitálov má oblasti s nízkou energiou (sfarbenie zelenej a žltej) a vysokou energiou (sfarbenie oranžovej a červenej). Jeho energetické extrémy majú nízku hustotu; v strede je však väčšina molekulárnych orbitálov koncentrovaná (biely pás).

To znamená, že elektróny „bežia rýchlejšie“ cez stred pásma ako cez jeho konce.

Úroveň Fermi

Elektrická vodivosť potom spočíva v migrácii elektrónov z valenčného pásma na vodivé pásmo.

Ak je energetická medzera medzi oboma pásmami veľmi veľká, máte izolačnú pevnú látku (ako v prípade B). Na druhej strane, ak je táto medzera relatívne malá, je tuhou látkou polovodič (v prípade C).

Keď sa teplota zvýši, elektróny vo valenčnom pásme získajú dostatok energie na migráciu smerom k vodivému pásmu. Výsledkom je elektrický prúd.

V skutočnosti ide o kvalitu tuhých látok alebo polovodičových materiálov: pri izbovej teplote sú izolačné, ale pri vysokých teplotách sú vodivé.

Vnútorné a vonkajšie polovodiče

Vnútorné vodiče sú tie, v ktorých je energetická medzera medzi valenčným pásmom a vodivým pásmom dostatočne malá na to, aby tepelná energia umožnila prechod elektrónov.

Na druhej strane, vonkajšie vodiče vykazujú zmeny vo svojich elektronických štruktúrach po dopovaní nečistotami, ktoré zvyšujú ich elektrickú vodivosť. Táto nečistota môže byť iný kovový alebo nekovový prvok.

Ak nečistota obsahuje viac valenčných elektrónov, môže poskytnúť donorový pás, ktorý slúži ako mostík pre elektróny z valenčného pásma na prechod do vodivého pásma. Tieto pevné látky sú polovodiče typu n. Tu n pochádza zo slova „negatívny“.

Na hornom obrázku je darcovský pás znázornený v modrom bloku tesne pod vodivým pásom (typ n).

Na druhej strane, ak nečistota obsahuje menej valenčných elektrónov, vytvára akceptorové pásmo, ktoré skracuje energetickú medzeru medzi valenčným pásmom a vodivým pásmom.

Elektróny najskôr migrujú smerom k tomuto pásmu a zanechávajú za sebou „pozitívne diery“, ktoré sa pohybujú opačným smerom.

Pretože tieto pozitívne diery označujú priechod elektrónov, je tuhá látka alebo materiál polovodič typu p.

Príklady teórie aplikovaného pásma

- Vysvetlite, prečo sú kovy lesklé: ich pohybujúce sa elektróny môžu absorbovať žiarenie v širokom rozsahu vlnových dĺžok, keď skočia na vyššiu úroveň energie. Potom vyžarujú svetlo a vracajú sa na nižšie úrovne vodivého pásma.

- Kryštalický kremík je najdôležitejším polovodičovým materiálom. Ak je časť kremíka dopovaná stopami prvku skupiny 13 (B, Al, Ga, In, Tl), stáva sa polovodičom typu p. Zatiaľ čo ak je dotovaný prvkom skupiny 15 (N, P, As, Sb, Bi), stáva sa polovodičom typu n.

- Svetelná dióda (LED) je doskový polovodič. Čo to znamená? Že materiál má oba typy polovodičov, n a p. Elektróny migrujú z vodivého pásma polovodiča typu n do valenčného pásma polovodiča typu p.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 486-490.
2. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie., Str. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Teória pásov pevných látok. Zdroj: 28. apríla 2018, z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Prechod z dlhopisov na skupiny z pohľadu chemikov. Zdroj: 28. apríla 2018, z: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Vonkajší polovodič. Zdroj: 28. apríla 2018, z: en.wikipedia.org
6. BYJU'S. (2018). Teória pásov kovov. Zdroj: 28. apríla 2018, z: byjus.com