Back to chapter

11.18:

תאוריית מבנה הפסים

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Band Theory

Languages

Share

תורת הפסים דומה לתורת האורביטל המולקולרי ומספקת מודל להתנהגות אלקטרונים במוצקים. נזכיר שכששני אטומים או יותר מתחברים כדי להפוך למולקולה, אורביטלי האטום שלהם חופפים ויוצרים אורביטליים מולקולריים של רמות אנרגיה מובחנות. ככל שמספר האטומים במולקולה גדל, כך גדלים גם מספר האורביטלים המולקולריים.למוצקים בדרך כלל יש מספר גדול במיוחד של אטומים, לכן המוצק כולו ייוצג במספר רב של אורביטלים מולקולריים צפופים. כתוצאה מכך, קבוצות של האורביטלים המולקולריים יהיו כה צמודות זו לזו עד שהן יכולות להיחשב כטווחים רציפים, או פסים, של אנרגיה שאלקטרונים יכולים לאכלס. כמו אורביטלים מולקולריים, הפסים הללו מופרדים על ידי פערי אנרגיה.אם הפערים גדולים מדי, אלקטרונים לא יכולים לחצות אותם. במוליכים כמו נחושת, אלקטרוני הערכיות נמצאים בפס שגם בו יש אורביטלים ריקים רבים. אלקטרוני הערכיות יכולים לעבור בקלות בין אובריטלים, מה שמאפשר לאלקטרונים לזרום בחופשיות דרך המוצק.אלקטרונים ניידים אלה אחראים למוליכות החשמל הטובה של המוצק. מודלים של מוליכים למחצה ומבודדים לוקחים בחשבון שני פס:פס הערכיות, שהוא פס האנרגיה הגבוהה ביותר המכילה אלקטרונים במצב היסוד, ופס ההולכה, שנמצא ממש מעל פס הערכיות. בפס הערכיות יש מעט אורביטלים ריקים או שאין כאלה כלל, מה שמגביל את יכולתם של אלקטרוני הערכיות לעבור דרך המוצק אם אינם יכולים להגיע לאורביטלים הריקים של פס ההולכה.זו ההתנהגות שנצפתה במבודדים כמו זכוכית, שיש להם פער אנרגיה גדול, או פער פסים, בין פסי הערכיות וההולכה. מבודדים, אם כן, הם בעלי מוליכות חשמלית גרועה. אם פער הפסים קטן, אלקטרוני ערכיות יכולים להיות מעוררים לפס ההולכה ולעבור בחופשיות בין האורביטלים הריקים שבו.האורביטלים הריקים שהאלקטרונים המעוררים משאירים ריקים גם מקלים על האלקטרונים לנוע בתוך פס הערכיות. זו ההתנהגות שנצפית במוליכים למחצה כמו סיליקון, שהם פחות מוליכים ממתכות אך מוליכים יותר מאשר מבודדים.

11.18:

תאוריית מבנה הפסים

When two or more atoms come together to form a molecule, their atomic orbitals combine and molecular orbitals of distinct energies result. In a solid, there are a large number of atoms, and therefore a large number of atomic orbitals that may be combined into molecular orbitals. These groups of molecular orbitals are so closely placed together to form continuous regions of energies, known as the bands.

The energy difference between these bands is known as the band gap.

Conductor, Semiconductor, and Insulators

In order to conduct electricity, valence electrons must cross orbitals of different energies to move throughout the solid. This is determined by the band gap. The valence electrons in conductors occupy a band that has many empty orbitals. Thus, only a small amount of energy is required to move the electrons to these empty orbitals. This small energy difference is “easy” to overcome, so they are good conductors of electricity. Semiconductors and insulators observe two types of bands – a valence band, with few to no empty orbitals, and a conduction band, with empty orbitals. The energy difference or the band gap between the valence band and the conduction band decides the ease with which the electrons can move. In insulators, the band gap is so “large” that very few electrons can reach the empty orbitals of the conduction band; as a result, insulators are poor conductors of electricity. Semiconductors, on the other hand, have comparatively small band gaps. As a result, they can conduct electricity when “moderate” amounts of energy are provided to move electrons out of the filled orbitals of the valence band and into the empty orbitals of the conduction band. Thus, semiconductors are better than insulators but not as efficient as conductors in terms of electrical conductivity.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 8.4 Molecular Orbital Theory.