BANDE DI ENERGIA - Liceo Cavalieri

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BANDE DI ENERGIA PERCHE’ ESISTONO I LIVELLI ENERGETICI?

In meccanica quantistica le particelle hanno anche una componente ondulatoria

BANDE DI ENERGIA

Una particella confinata in una certa zona dello spazio può essere vista come un’onda stazionaria su una corda con estremi fissi

BANDE DI ENERGIA

Naturalmente l’analogo degli estremi fissi della corda sono le pareti della scatola in cui è confinata la particella

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Il punto fondamentale è che gli estremi devono essere fissi: ma gli unici punti fissi di un’onda sono i nodi

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Questo significa che i nodi devono coincidere con gli estremi della corda

BANDE DI ENERGIA λ/2

Ma la distanza tra due nodi vicini è pari a mezza lunghezza d’onda, ciò significa che la metà della lunghezza d’onda deve essere una frazione intera della distanza tra gli estremi della corda

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In formule, se λ è la lunghezza d’onda, L quella della corda, n un numero intero:  2 

L n

  2

L n

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  2

L n

L

Nel caso di una particella racchiusa in una scatola L è lo spigolo della scatola

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Ma la lunghezza d’onda è legata alla velocità dalla relazione di DeBroglie  

h mv

BANDE DI ENERGIA

 

h mv

  2

L n v

h

2

mL n

Combinando queste due e ricavandone la velocità si ottiene:

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Nel caso di una particella che si muova liberamente tra le pareti della scatola l’energia è puramente cinetica

E

 1 2

mv

2

BANDE DI ENERGIA

Quindi, combinando le due formule, si ottiene:

E

 1 2

mv

2

v

h

2

mL n E

h

2 8

mL

2

n

2

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E

h

2 8

mL

2

n

2 Questa è la formula dei livelli energetici di una particella che si muove liberamente in una scatola

n è il numero quantico principale

E

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  13 , 6

eV n

2 Non è, ovviamente, paragonabile alla formula di Bohr per l’atomo di idrogeno; in quel caso infatti l’elettrone non è libero

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Nel legame metallico gli elettroni di valenza sono per certi versi liberi di muoversi nel reticolo degli ioni

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D’altra parte essi risentono ancora fortemente del campo coulombiano generato dagli ioni

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I livelli energetici nel campo coulombiano sono pochi e separati da un grosso salto di energia,

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Nel caso dell’atomo di idrogeno, ad esempio, i livelli 1 e 2 sono separati da un salto di quasi 10 elettronvolt

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ENERGIA Al contrario, i livelli della particella nella scatola sono moltis simi ed estremamente ravvicinati

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I livelli energetici degli elettroni in un solido cristallino assumono una struttura intermedia tra i due casi:

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Vi è un enorme numero di livelli molto ravvicinati, come nel caso della particella nella scatola… …ma questi livelli sono raggruppati in BANDE DI ENERGIA , separate da intervalli molto ampi privi di livelli

BANDE DI ENERGIA ENERGIA

Bande Intervalli

BANDE DI ENERGIA ENERGIA

Bisogna inoltre ricordare che gli elettroni sono fermioni, quindi su ogni livello ce ne possono stare al più due con spin opposto

BANDE DI ENERGIA ENERGIA

Poiché ogni banda è formata da un numero grande, ma finito di livelli, ciò significa che le bande verranno riempite di elettroni dalla più bassa a salire

BANDE DI ENERGIA ENERGIA

La più alta banda piena si dice BANDA DI VALENZA.

La prima banda vuota BANDA DI CONDUZIONE

BANDE DI ENERGIA ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

L’intervallo tra banda di conduzione e banda di valenza si dice ENERGY GAP

BANDE DI ENERGIA ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

L’energy gap è tipicamente dell’ordine di alcuni elettronvolt, energia paragonabile a quella dei salti tra i livelli atomici

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In un conduttore percorso da corrente l’energia degli elettroni è di due tipi: • energia termica reticolo cristallino •Energia elettrica elettrica , che origina il moto caotico degli elettroni nel , che genera il moto ordinato noto come corrente

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L’energia termica degli elettroni, a temperature ordinarie, è dell’ordine di qualche centesimo di eV

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L’energia che un generatore elettrico può fornire ad un elettrone è in genere molto più piccola di quella termica, non più di pochi decimillesimi di eV

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Ricordiamo inoltre questo principio basilare: un elettrone può saltare da un livello ad un altro a due condizioni: • che il livello di destinazione sia libero • che gli sia fornita un’energia pari alla differenza di energia tra i due livelli

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Ricapitoliamo poi le energia in gioco: • Energy gap: qualche

elettronvolt

Energia termica: qualche

centesimo di elettronvolt

Energia elettrica: qualche

decimillesimo di elettronvolt

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Ne concludiamo quindi che L’ENERGIA ELETTRICA NON PUO’ CONSENTIRE IL SALTO DA UNA BANDA ALL’ALTRA, MA SOLO TRA LIVELLI DELLA STESSA BANDA

BANDE DI ENERGIA ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

Consideriamo il caso di un corpo in cui la banda di valenza è totalmente occupata da elettroni mentre la banda di conduzione è vuota

BANDE DI ENERGIA ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

Gli elettroni non possono acquistare energia elettrica perché non hanno livelli vuoti abbastanza vicini in cui saltare

BANDE DI ENERGIA ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

Il corpo risulterà quindi un

ISOLANTE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP Consideriamo il caso di un corpo in cui la banda di valenza non è del tutto piena…

BANDA DI VALENZA

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

O quello equivalente in cui l’energy gap non esiste e le due bande sono fuse

BANDA DI VALENZA

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE BANDA DI VALENZA

In entrambi i casi gli elettroni possono acquisire anche minime quantità di energia elettrica in quanto hanno livelli liberi vicinissimi

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

In questo caso il corpo risulta un

CONDUTTORE BANDA DI VALENZA

BANDE DI ENERGIA

Si è fin qui trascurato il ruolo dell’energia termica: pur essendo in media molto bassa alcuni elettroni potrebbero averne abbastanza per superare l’energy gap

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP Si avrebbero così livelli liberi in banda di valenza ed elettroni in banda di conduzione

BANDA DI VALENZA

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

Questo può avvenire di fatto solo se l’energy gap è piccolo, mentre se è grande l’effetto è insignificante

BANDE DI ENERGIA BANDA DI CONDUZIONE

ENERGY GAP

BANDA DI VALENZA

Le sostanze in cui nonostante la struttura a bande sia da isolante avviene la conduzione si dicono

semiconduttori

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Germanio e silicio hanno un energy gap pari rispettivamente a 0,67 e 1,1 eV, e sono i più noti semiconduttori

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Il carbonio nella forma di diamante ha un energy gap di 5,5 eV ed è un ottimo isolante