Este artigo explica o que é a teoria de bandas de sólidos. Mostra-se a razão de tal representação da estrutura da matéria. As diferenças entre metais de dielétricos e semicondutores são fornecidas.
Soquete e botão
Quantas vezes por dia clicamos em váriosbotões? Ninguém pode nem pensar nisso - essa ação se tornou tão familiar. E a pessoa não pensa que tudo isso só é possível devido à facilidade com que a corrente elétrica flui nos metais. Acender a luz, ferver a chaleira, ligar a máquina de lavar, sem falar nas ações nos smartphones, significa fechar o circuito e permitir que os elétrons dos condutores trabalhem no lugar das pessoas. Existem muitas explicações para um fenômeno como a condutividade. O mais óbvio, talvez, seja a teoria da banda dos sólidos.
Átomo e bules
Todo mundo que foi para a escola tem uma ideia dea estrutura do átomo. Lembre-se de que pequenos elétrons leves giram em torno de um núcleo pesado carregado positivamente (consistindo de prótons e nêutrons). O número de partículas negativas é exatamente igual ao número de partículas positivas. Para não cansar os leitores, vamos explicar no estilo de "mecânica quântica para manequins". Cada elétron tem uma órbita estritamente limitada ao longo da qual pode girar em torno do núcleo em um determinado elemento químico. Por sua vez, cada tipo de átomo tem um padrão único de tais órbitas. É assim que os cientistas espectroscópicos distinguem o boro do selênio e o arsênico do sódio. No entanto, além das substâncias puras, existem inúmeras combinações diversas na natureza. A mecânica quântica (para manequins, como o leitor deve se lembrar) afirma que, em conexões complexas, as órbitas se cruzam, se fundem, se transformam, se estendem, criando conexões. Sua qualidade depende do tipo: covalente e iônico são mais fortes, o hidrogênio, por exemplo, mais fraco.
Em um corpo sólido, tudo é mais complicado.Para o modelo usado pela teoria de bandas de sólidos, geralmente é considerado um cristal ideal. Isso significa que é infinito e sem pecado - cada átomo em seu lugar designado, a carga total é zero. Os núcleos vibram em torno de uma posição de equilíbrio específica, mas os elétrons, pode-se dizer, são comuns. Dependendo de quão “simples” um átomo dá suas partículas negativas para os vizinhos, uma estrutura rigidamente especificada de dielétricos ou uma nuvem de elétrons de metais é obtida. Deve-se acrescentar que, ao considerar, a suposição é feita de que todos os elétrons ocupam a energia mínima alocada a eles, o que significa que o corpo está a zero Kelvin. A uma temperatura mais elevada, a amplitude das oscilações dos núcleos e dos elétrons é mais forte, o que significa que estes últimos são capazes de ocupar níveis de energia mais elevados. A distribuição de partículas negativas torna-se mais solta. Em alguns problemas, isso é importante; no entanto, para a descrição desse fenômeno como tal, a temperatura não é tão importante.
O Princípio de Pauli e o carregador
O conceito da teoria da banda de um corpo rígido pode serganho apenas por lembrar bem qual é o princípio de Pauli. Se imaginarmos que os elétrons são sacos de açúcar, então, se houver muitos desses sacos, um carregador convencional os colocará um em cima do outro. Cada "bolsa" ocupa o seu lugar no espaço. Para elétrons, isso significa que em um determinado estado específico em um sistema, pode haver apenas um. Este é o princípio de Pauli. Observe que queremos dizer condições ideais, ou seja, a temperatura é zero Kelvin e o cristal é infinito. Todo o sistema está nas mesmas condições: temperatura, tensões mecânicas, defeitos são os mesmos em todas as partes de um único todo.
Zonas eletrônicas de cristais
Um cristal contém muitos átomos do mesmo tipo.Um mol de uma substância contém dez elementos elevado à vigésima terceira potência. E quantos mols em um quilograma de, digamos, sal? Portanto, você pode até dizer que mesmo o menor cristal contém um número inimaginável de átomos. Cada elemento químico tem seu próprio padrão de órbitas eletrônicas, mas e se houver vários deles em um corpo? Afinal, de acordo com o princípio de Pauli, todos eles deveriam ocupar diferentes estados. A teoria de bandas de sólidos oferece a seguinte solução - as órbitas de elétrons adquirem energias diferentes. Ao mesmo tempo, a diferença entre eles é tão pequena que eles são comprimidos, sobrepondo-se um ao outro fortemente, e formam uma zona contínua. Assim, cada nível de um elétron em um átomo se transforma em uma zona em um cristal em massa. Elementos da teoria de banda de estado sólido ajudarão a explicar a diferença entre dielétricos e condutores.
Elétron dentro da zona
Já discutimos o que acontece com muitoselétrons que ocupam a mesma órbita em um átomo durante a formação de um cristal. Mas seu comportamento dentro da zona permaneceu apagado por nós por enquanto. É importante falar sobre isso já porque faz a diferença entre metais e não metais. Como mencionado acima, a teoria de banda de sólidos diz que dentro da banda os níveis de energia de diferentes órbitas de átomos individuais diferem tão pouco que formam um espectro quase contínuo. Assim, não é difícil para um elétron superar a barreira de potencial entre eles - ele se move livremente ao longo deles, até mesmo a energia térmica é suficiente para isso. No entanto, cada zona permitida tem limites. Sempre haverá um nível de energia superior ou inferior a todos os outros.
Valência, proibido, condutividade
Entre essas zonas está uma área de energia,em que não há um único nível no qual um elétron poderia estar. Nos gráficos, aparece como uma lacuna em branco. E é chamada de zona proibida. Um elétron pode superar essa barreira apenas com um empurrão. Isso significa que ele deve receber a energia adequada para isso. A zona de maior energia, na qual é permitida a existência de elétrons para um determinado tipo de átomo, é chamada de valência, e a próxima, de condutividade.
Metal, dielétrico
Teoria de banda de condutividade de sólidosafirma que a presença ou ausência de elétrons na banda de condução mostra a facilidade com que a corrente flui em uma determinada substância. É assim que os metais e os dielétricos diferem. No primeiro caso, a banda de condução já contém elétrons, pois se sobrepõe à banda de valência. Isso significa que as partículas negativas podem se mover livremente sob a influência de um campo eletromagnético, sem consumo adicional de energia. Portanto, uma corrente elétrica em metais surge tão facilmente, na verdade, instantaneamente, assim que um campo aparece. E, pelo mesmo motivo, os fios são feitos de aço, cobre, alumínio.
Materiais com banda de condução evalência são separados uns dos outros energeticamente, chamados dielétricos. Seus elétrons estão bloqueados no nível mais baixo permitido. A zona proibida separa as partículas negativas do nível em que elas podem se mover livremente. E a energia que deve ser transmitida aos elétrons para superá-la destruirá o material. Ou mude suas propriedades irreconhecíveis. Portanto, o envoltório plástico dos fios derrete e queima, mas não conduz eletricidade.
Semicondutores
Mas existe uma classe intermediária de materiais,que têm uma zona proibida, mas em algumas condições são capazes de conduzir uma corrente elétrica. Eles são chamados de semicondutores. Como os dielétricos, eles têm uma lacuna de energia entre as bandas de condução e valência. No entanto, é menor e pode ser superado com algum esforço. O semicondutor clássico é o silício (em latim - silício). O famoso Vale do Silício é famoso por tecnologias baseadas no uso de cristais dessa mesma substância para criar equipamentos eletrônicos.
