في فيزياء الحالة الصلبة، يصف هيكل النطاق الإلكتروني بنطاق مستويات الطاقة التي قد تحتويها الإلكترونات داخلها، بالإضافة إلى نطاقات الطاقة التي قد لا تكون بها، وتسمى فجوات النطاق.
كيف يكون هيكل النطاق الإلكتروني
- يأخذ مبدأ النطاق هذه النطاقات وفجواتها عن طريق فحص وظائف الموجات الميكانيكية الكمية المسموح بها للإلكترون في شبكة كبيرة ودورية من الذرات أو الجزيئات، حيث تم استخدام نظرية النطاق بنجاح لشرح العديد من الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة، مثل المقاومة الكهربائية والامتصاص البصري، وتشكل الأساس لفهم جميع أجهزة الحالة الصلبة، مثل الترانزستورات، والخلايا الشمسية.
- تحتل إلكترونات ذرة واحدة معزولة مدارات ذرية لكل منها مستوى طاقة منفصل، وعندما تتحد ذرتان أو أكثر معًا لتشكيل جزيء، تتداخل مداراتها الذرية وتتهجين، وبالمثل إذا اجتمع عدد كبير من الذرات المتماثلة N معًا لتكوين مادة صلبة، مثل شبكة بلورية، فإن المدارات الذرية للذرات تتداخل مع المدارات القريبة.
- ينقسم كل مستوى طاقة منفصل إلى مستويات N، ولكل منها طاقة مختلفة، ونظرًا لأن عدد الذرات في قطعة صلبة كبيرة جدًا (N ~ 10 22 )، فإن عدد المدارات كبير جدًا، وبالتالي فهي متقاربة جدًا في الطاقة (بترتيب 10 22 eV)، حيث أن طاقة المستويات المجاورة قريبة جدًا من بعضها البعض بحيث يمكن اعتبارها سلسلة متصلة.
- يعتبر تشكيل العصابات هذا في الغالب سمة من سمات الإلكترونات الخارجية في الذرة، والتي تشارك في الترابط الكيميائي والتوصيل الكهربائي، ولا تتداخل مدارات الإلكترون الداخلية بدرجة كبيرة، لذا فإن نطاقاتها ضيقة جدًا.
- فجوات النطاق هي في الأساس نطاقات متبقية من الطاقة لا يغطيها أي نطاق نتيجة العروض المحدودة لنطاقات الطاقة، وتعتبر النطاقات لها عروض مختلفة، حيث تعتمد العروض على درجة التداخل في المدارات الذرية التي تنشأ منها.
- قد لا يكون نطاقان متجاوران عريضًا بدرجة كافية لتغطية نطاق الطاقة بالكامل، على سبيل المثال، النطاقات المرتبطة بالمدارات الأساسية، مثل إلكترونات 1s ضيقة للغاية؛ بسبب التداخل الصغير بين الذرات المجاورة.
