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能带理论

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1 拼音

néng dài lǐ lùn

2 注解

能带理论

在固体金属内部构成其晶格结点上的粒子,是金属原子或正离子,由于金属原子的价电子电离能较低,受外界环境的影响(包括热效应等),价电子可脱离原子,且不固定在某一离子附近,而可在晶格中自由运动,常称它们为自由电子。正是这些自由电子将金属原子及离子联系在一起,形成了金属整体。这种作用力称为金属键。当然固体金属也可视为等径圆球的金属原子(离子)紧密堆积成晶体。这时原子的配位数可高达8至12。金属中为数不多的价电子不足以形成如此多的共价键。这些价电子只能为整个金属晶格所共有。所以金属键不同于离子键;也不同于共享电子局限在两个原子间的那种共价键(定域键)。广义地说,金属键属于离域键,即共享电子分布在多个原子间的一种键,但它是一种特殊的离域键,既无方向性,也无饱和性。

为阐明金属键的特性,化学家们在MO理论的基础上,提出了能带理论。现仅以金属Li为例定性讨论。

Li原子核外电子为1s22s1。两个Li互相靠近形成Li2分子。按照MO理论,Li分子应有四个MO。其中(σ1s)2与(σ1s*)2能量低,紧靠在Li

是空着的(LUMO)。参与成键的Li原子越多,由于晶格结点上不同距离的Li核对它们的价电子有不同程度的作用力,导致电子能级发生分裂,而且能级差也越来越小,能级越来越密,最终形成一个几乎是连成一片的且具有一定的上、下限的能级,这就是能带。对于N个Li原子的体系,由于1s与2s之间能量差异较大,便出现了两条互不重叠或交盖的能带。

一片,全部充满电子,形成的能带称为满带。由

则空着。这种具有未被占满的MO的能带由于电子很容易从占有MO激发进入空的MO,故而使Li呈现良好的导电性能。此种能带称为导带。在满带与导带之间不再存在任何能级,是电子禁止区,称为禁带。电子不易从满带逾越此空隙区进入导带。显然,原子在形成简单分子时,便形成了分立的分子轨道,当原子形成晶体时,便形成了分立的能带。

不同的金属,由于构成它的原子有不同的价轨道和不同的原子间距,

能带(空带)部分叠合,构成了一个未满的导带,因而容易导电,呈现金属性。由此看来,只要存在着未充满的导带(不管它本身是未充满的能带,还是由于空带—满带相互交盖而形成的未充满的能带)在外电场作用下便会形成电子定向流动,从而使材料呈导电性。当升温时,晶格上的原子(离子)振动加剧,电子运动受阻,导电能力降低。离域的电子的运动又可传递热端的振动能使金属具有良传热性。共享电子的“胶合”作用,使金属在受外力作用晶体正离子滑移时不致断裂,呈现良好延展性和可塑性。这与离子型晶体的脆性与易碎裂成为鲜明的对比。此外,金属中的离域电子容易吸收并重新发射很宽波长范围的光,使它不透明并具有金属光泽。

固体材料中全空的导带称为空带。当满带与空带之间的禁带宽达5~7eV时,电子难以借热运动等跃过禁带进入空带,因此是绝缘体,如金刚石的禁带宽达5.3eV。但当禁带宽度在1eV(1.602×10-19J或96.48kJ·mol-1)上下,便属于半导体材料。典型的半导体Si禁带为1.12eV;Ge为0.67eV。

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  • 评论总管
    2019/10/17 19:01:18 | #0
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本页最后修订于 2010年3月22日 星期一 13:26:13 (GMT+08:00)
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