能带理论是讨论晶体中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动,即是单电子近似的理论;对于晶体中的价电子而言,等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来交换作用,是一种晶体周期性的势场。
什么是能带理论
能带理论
band,theory
研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成,原子又包括原子实和最外层电子,它们均处于不断的运动状态。为使问题简化,首先假定固体中的原子实固定不动,并按一定规律作周期性排列,然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动,这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论,它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出。具体的计算方法有自由电子近似法、紧束缚近似法、正交化平面波法和原胞法等。前两种方法以量子力学的微扰理论作为基础,只分别适用于原子实对电子的束缚很弱和很强的两种极端情形;后两种方法则适用于较一般的情形,应用较广。
孤立原子的能带 孤立原子的外层电子可能取的能量状态(能级)完全相同,但当原子彼此靠近时,外层电子就不再仅受原来所属原子的作用,还要受到其他原子的作用,这使电子的能量发生微小变化。原子结合成晶体时,原子最外层的价电子受束缚最弱,它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用,已很难区分究竟属于哪个原子,实际上是被晶体中所有原子所共有,称为共有化。原子间距减小时,孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。共有化程度越高的电子,其相应能带也越宽。孤立原子的每个能级都有一个能带与之相应,所有这些能带称为允许带。相邻两允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态,称为禁带。若晶体由N个原子(或原胞)组成,则每个能带包括N个能级,其中每个能级可被两个自旋相反的电子所占有,故每个能带最多可容纳2N个电子(见泡利不相容原理)。价电子所填充的能带称为价带。比价带中所有量子态均被电子占满,则称为满带。满带中的电子不能参与宏观导电过程。无任何电子占据的能带称为空带。未被电子占满的能带称为未满带。例如一价金属有一个价电子,N个原子构成晶体时,价带中的2N个量子态只有一半被占据,另一半空着。未满带中的电子能参与导电过程,故称为导带。
固体的能带 固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属,价带是未满带,故能导电。对二价金属,价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较高的空带相交叠,满带中的电子能占据空带,因而也能导电,绝缘体和半导体的能带结构相似,价带为满带,价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1~1.5电子伏,绝缘体的禁带宽度从1.5~1.0电子伏。在任何温度下,由于热运动,满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中,使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大,常温下从满带激发到空带的电子数微不足道,宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小,满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中,宏观上表现为有较大的电导率(见半导体)。
能带理论在阐明电子在晶格中的运动规律、固体的导电机构、合金的某些性质和金属的结合能等方面取得了重大成就,但它毕竟是一种近似理论,存在一定的局限性。例如某些晶体的导电性不能用能带理论解释,即电子共有化模型和单电子近似不适用于这些晶体。多电子理论建立后,单电子能带论的结果常作为多电子理论的起点,在解决现代复杂问题时,两种理论是相辅相成的。
能带论是什么
研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成,原子又包括原子实和最外层电子,它们均处于不断的运动状态。为使问题简化,首先假定固体中的原子实固定不动,并按一定规律作周期性排列,然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动,这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论,它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出。具体的计算方法有自由电子近似法、紧束缚近似法、正交化平面波法和原胞法等。前两种方法以量子力学的微扰理论作为基础,只分别适用于原子实对电子的束缚很弱和很强的两种极端情形;后两种方法则适用于较一般的情形,应用较广。
孤立原子的能带 孤立原子的外层电子可能取的能量状态(能级)完全相同,但当原子彼此靠近时,外层电子就不再仅受原来所属原子的作用,还要受到其他原子的作用,这使电子的能量发生微小变化。原子结合成晶体时,原子最外层的价电子受束缚最弱,它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用,已很难区分究竟属于哪个原子,实际上是被晶体中所有原子所共有,称为共有化。原子间距减小时,孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。共有化程度越高的电子,其相应能带也越宽。孤立原子的每个能级都有一个能带与之相应,所有这些能带称为允许带。相邻两允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态,称为禁带。若晶体由N个原子(或原胞)组成,则每个能带包括N个能级,其中每个能级可被两个自旋相反的电子所占有,故每个能带最多可容纳2N个电子(见泡利不相容原理)。价电子所填充的能带称为价带。比价带中所有量子态均被电子占满,则称为满带。满带中的电子不能参与宏观导电过程。无任何电子占据的能带称为空带。未被电子占满的能带称为未满带。例如一价金属有一个价电子,N个原子构成晶体时,价带中的2N个量子态只有一半被占据,另一半空着。未满带中的电子能参与导电过程,故称为导带。
固体的能带 固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属,价带是未满带,故能导电。对二价金属,价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较高的空带相交叠,满带中的电子能占据空带,因而也能导电,绝缘体和半导体的能带结构相似,价带为满带,价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1~1.5电子伏,绝缘体的禁带宽度从1.5~1.0电子伏。在任何温度下,由于热运动,满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中,使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大,常温下从满带激发到空带的电子数微不足道,宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小,满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中,宏观上表现为有较大的电导率(见半导体)。
能带理论在阐明电子在晶格中的运动规律、固体的导电机构、合金的某些性质和金属的结合能等方面取得了重大成就,但它毕竟是一种近似理论,存在一定的局限性。例如某些晶体的导电性不能用能带理论解释,即电子共有化模型和单电子近似不适用于这些晶体。多电子理论建立后,单电子能带论的结果常作为多电子理论的起点,在解决现代复杂问题时,两种理论是相辅相成的。
谁能用通俗的话讲一下什么是能带?能级?介带?最好通俗易懂点,谢了!
1,旧的量子论中,量子化条件说明了微观粒子只能存在于某些不连续的状态。电子当然也不例外,原子中电子的能量只能是某些分立的值。某个能量状态定义为一个能级。电子能量,角动量等等的运动状态用轨道来表示。例如2p表示主量子数为2(体现能量大小),角动量量子数为1(体现角动量大小)的轨道。
2,能量越低,体系越稳定,所以原子中的电子总是尽量往低能级的轨道排。按照泡利不相容原理,每个轨道上的电子数都有限制。总得来说,基态的原子其核外电子排布都是按照不相容原理,能量从低到高依次排列。例如硅原子核外电子排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p2,其中前10个电子一般背原子核紧紧束缚,外围4个电子性质比较活跃,收到激发能跃迁到更高能级,或者电离。另外,由于3p轨道最多可以排布6个电子,所以实际上硅原子中最外层还有剩余4个状态未被电子填满。
3,当原子组成晶体时,由于原子周期性的排布,随着原子增多,原先分立的电子能级会变得越来越密集,最后变成一条条看准连续(很密集的能级,实际上不连续)的能级结构,称为能带。晶体中外层原子一般是共用的,称为价电子,这些电子的能量状态只能存在于这些能带之中。
4,晶体中的能带一般是带状的,在带与带之间有时会空出很大一段能量间隔,这里不允许电子出现,所以叫①禁带,也叫带隙,有些能带的电子能量高很活跃,一般参与导电或者电离,这些能带叫做②导带,相反有些能带电子稳定,一般不参与导电,叫做③价带。
5,处于平常状态下的晶体其电子一般都在价带中,导电性不是太好。要想导电,必须接收一部分能量,越过禁带,到导带中参与导电。比如硅晶体禁带宽度为1.12eV,电子必须接收大于这的能量才能导电。能量来源一般是热或者光。
6,具有类似硅晶体特点的固体叫做①半导体,由于它对光和热很敏感,所以可以制成各种电子器件;有些晶体的禁带宽度很大,很难将电子从价带激发到导带,这些固体就叫做②绝缘体;相反某些晶体的禁带宽度很小,甚至是负值(也就是没有禁带),本身价带中电子就可以导电,这些就是③导体。
7,能带理论可以说是量子力学与实际结合,应用得最广泛的理论之一。理解了能带就学会了一半固体物理。
为什么银的导电性这么好,和它的电子分布有什么关系?
是的!和它的电子分布有关系!
可以用金属键理论(也叫固体能带理论),解释金属的导电性能.
金属晶体中存在的自由电子是引起金属导电的根本原因,即金属是属于电子导体.
而金属的导电是通过未满带中的电子来实现的.
3-1金属键理论:
1 金属原子对其价电子的束缚较弱,部分价电子易脱离金属原子而成为自由电子,在晶格中自由运动,如同自由的价电子为许多原子共有,这样形成的键叫金属键,这个理论叫自由电子理论;
自由电子理论可解释金属许多特征:
(1)高陪位数:因为金属键无方向性无饱和性
(2)导电性:自由电子定向运动产生电流,金属原子或离子阻碍电子运动产生电阻;
(3)金属光泽:自由电子吸收可见光,然后又部分发射出来,多显银白色光泽;
(4)延展性:金属原子或离子在晶体中错位不影响金属键,故金属具有延展性.
2.能带理论:
(1)金属晶体中所有所有原子,能级相同的价层原子轨道,分别组合成等数目的一组分子轨道,原子轨道中电子,按填充规则填入分子轨道;
(2)每组分子轨道构成一个能带.分子轨道充满电子的称满带;未充满电子的则称导带;由空的原子轨道组合成的分子轨道称空带
(3)导带因有空轨道,电子可跃迁,所以可导电;满带中的电子不可导电
(4)导体能导电,是因为存在导带.如:Li 1S22S1图2-23中a或满带与空带能级间隔小,电子由满带易跃迁至空带.如:Be 2S2上图中b绝缘体不导电是因为满带与空带能级差大(>5ev)图2-23中d绝缘体不导电是因为满带与空带能级差适中(≤3ev)图2-23中c一般情况下不导电,特殊条件(光照)下,满带电子跃迁至空带而导电.
金银的最外电子排布如下:
Ag: 4d10 5s1
所以导电性很好.