La disposición de las moléculas en los gases no es muy cercana, es decir, están ampliamente separadas y sueltas. En los líquidos, la disposición molecular es moderada, lo que significa que las moléculas están un poco separadas. Cuando se trata de sólidos, las moléculas están tan estrechamente empacadas o estructuradas que los electrones (partículas subatómicas con una carga eléctrica negativa) gravitan hacia los orbitales de los átomos que los rodean. Como resultado, cuando los átomos se juntan, los orbitales electrónicos se superponen. La creación de bandas de energía, en lugar de niveles de energía individuales, resultará de la interacción de los átomos en objetos en estado sólido. Las bandas de energía son una colección de niveles de energía que están densamente o estrechamente empacados.
Formación de la banda de energía
Los electrones de un átomo aislado tienen una cantidad determinada de energía en cada órbita. Sin embargo, en los sólidos, los electrones en la órbita externa se ven afectados por los átomos cercanos. Cuando se colocan dos cargas aisladas cerca una de la otra, los electrones en la órbita externa sienten una atracción atractiva del núcleo atómico más cercano o vecino.
Como resultado, las energías de los electrones no serán iguales, y los niveles de energía de los electrones se modificarán a un valor que es mayor o menor que el nivel de energía inicial del electrón. En contraste, la energía de los electrones en órbitas internas no se ve afectada por la presencia de átomos adyacentes.
Los electrones en la misma órbita tienen diferentes niveles de energía. El término banda de energía se refiere a la forma en que se clasifican estos diferentes niveles de energía.
Teoría de las bandas de energía
Según la teoría de Bohr, cada capa de un átomo tiene una cantidad finita de energía en diferentes niveles. La interacción de los electrones entre las capas externas e internas se explica mediante la teoría de las bandas de energía. Según esta teoría, existen tres bandas de energía distintas:
- Banda de valencia
- Banda de energía prohibida
- Banda de conducción
Banda de valencia
Los electrones de valencia son los electrones en la capa externa. Estos electrones forman la banda de valencia, una banda de energía con una variedad de niveles de energía. La banda de valencia es la que tiene mayor ocupación de energía.
Banda de conducción
Debido a que los electrones de valencia están débilmente unidos al núcleo, incluso a temperatura ambiente, algunos de ellos abandonan la órbita externa y se convierten en electrones libres. Estos electrones libres se conocen como electrones de conducción debido a su capacidad para conducir corriente en los conductores. La banda de conducción tiene los niveles de energía ocupados más bajos e incluye electrones de conducción.
Banda de energía prohibida
La banda de energía prohibida es la región entre la banda de valencia y la banda de conducción. Como su nombre indica, la banda de energía prohibida no tiene energía y no quedan electrones en esta banda. Si la brecha de energía prohibida es mayor, los electrones de la banda de valencia están firmemente unidos al núcleo. Se necesitará una cierta cantidad de energía externa para llenar la brecha de energía prohibida.
Tipos de bandas de energía
Existen tres tipos diferentes de bandas de energía:
- Aislantes
- Conductores
- Semiconductores
Aislantes
Los aislantes son sustancias o materiales que no conducen electricidad. La brecha de energía prohibida de los aislantes es lo suficientemente grande como para evitar el flujo de electricidad. Ejemplos de aislantes son el caucho y la madera.
Conductores
Los conductores son materiales en los que la brecha de energía prohibida, como la banda de valencia, desaparece y la banda de conducción se acerca al punto en el que las dos bandas se superponen parcialmente. Los conductores más comunes son el oro, el aluminio, el cobre y la plata. La cantidad de electrones libres disponibles a temperatura ambiente es muy alta.
Semiconductores
Los semiconductores son materiales o sustancias con conductividad en el rango de conductores a aislantes. En los semiconductores, la brecha de energía prohibida es muy pequeña y la electricidad solo puede transmitirse si se proporciona energía externa. Algunos ejemplos de semiconductores son el germanio y el silicio.
Los sólidos, líquidos y gases tienen disposiciones moleculares distintas. En los sólidos, las moléculas están organizadas de manera estrecha para que los electrones de los átomos de las moléculas viajen a los orbitales de los átomos circundantes. En los gases, la organización molecular es compleja, pero en los líquidos es más modesta. Como resultado, cuando los átomos se acercan entre sí, los orbitales electrónicos se superponen parcialmente. Los niveles de las bandas de energía se generan como resultado de la interacción de los átomos en los materiales, en lugar de niveles de energía individuales. Una banda de energía es un conjunto de niveles de energía estrechamente empacados.
¿Cómo se forman las bandas de energía en un sólido cristalino?
Un sólido cristalino contiene un gran número de átomos que se acercan y comienzan a influenciarse entre sí. En consecuencia, los niveles de energía de los electrones de valencia se modifican y se forma una colección de grandes cantidades de niveles de energía estrechamente espaciados, formando así una banda de energía.