양자 물리학은 양자수 의 4중 체계에 따라 원자의 전자 상태를 설명합니다 . 양자수는 전자가 원자에서 취할 수 있는 허용 상태를 설명합니다. 원형극장의 비유를 사용하면 양자수는 사용 가능한 행과 좌석의 수를 설명합니다. 개별 전자는 특정 행과 좌석에 지정된 원형극장의 관객처럼 양자수의 조합으로 설명될 수 있습니다.
원형극장에서 좌석과 줄 사이를 이동하는 관객처럼, 전자는 들어갈 수 있는 공간과 사용 가능한 에너지가 주어지면 상태를 바꿀 수 있습니다. 껍질 수준은 전자가 소유한 에너지 양과 밀접한 관련이 있으므로 껍질(그리고 하위 껍질) 수준 사이의 "도약"에는 에너지 전달이 필요합니다. 전자가 더 높은 순서의 껍질로 이동하려면 외부 소스에서 전자에 추가 에너지를 제공해야 합니다. 원형극장 비유를 사용하면 사람이 더 높은 줄의 좌석으로 이동하려면 에너지가 증가해야 합니다. 그 사람은 중력에 맞서 더 높은 높이로 올라가야 하기 때문입니다. 반대로, 더 낮은 껍질로 "도약"하는 전자는 사람이 더 낮은 줄의 좌석으로 뛰어내리는 것처럼 에너지 일부를 포기하고, 소모된 에너지는 열과 소리로 나타납니다.
모든 "도약"이 동일한 것은 아닙니다. 다른 껍질 사이의 도약은 상당한 에너지 교환을 필요로 하지만, 하위 껍질 사이의 도약이나 궤도 사이의 도약은 더 적은 교환을 필요로 합니다.
원자가 결합해 물질을 형성할 때, 가장 바깥쪽 껍질, 하위 껍질, 궤도가 합쳐져 전자가 가정할 수 있는 사용 가능한 에너지 준위가 더 많아집니다. 많은 수의 원자가 서로 가까이 있을 때, 이러한 사용 가능한 에너지 준위는 거의 연속적인 밴드를 형성하여 전자가 아래 그림과 같이 이동할 수 있습니다.
금속 원소에서의 전자대역 중첩.
이러한 밴드의 폭과 기존 전자와의 근접성은 전기장에 노출되었을 때 전자가 얼마나 움직일 수 있는지를 결정합니다. 금속 물질에서 빈 밴드는 전자를 포함하는 밴드와 겹치므로 단일 원자의 전자는 추가 에너지가 거의 또는 전혀 전달되지 않고도 일반적으로 더 높은 수준의 상태로 이동할 수 있습니다. 따라서 바깥쪽 전자는 "자유롭다"고 하며 전기장 의 부름에 따라 움직일 준비가 되어 있다고 합니다 .
원자가 서로 얼마나 가까이 있든 모든 물질에서 밴드 오버랩이 발생하지는 않습니다. 일부 물질에서는 전자를 포함하는 가장 높은 밴드(소위 가전자대 )와 비어 있는 다음 밴드(소위 전도대 ) 사이에 상당한 간격이 남아 있습니다. 아래 그림을 참조하세요. 결과적으로 가전자는 구성 원자에 "결합"되어 상당한 양의 에너지가 전달되지 않으면 물질 내에서 이동할 수 없습니다. 이러한 물질은 전기 절연체 입니다 .
절연 물질에서의 전자대 분리.
반도체 범주에 속하는 물질은 원자가와 전도대 사이에 좁은 간격이 있습니다. 따라서 원자가 전자를 전도대로 이동시키는 데 필요한 에너지 양은 매우 적습니다. (아래 그림)
반도체 물질에서의 전자 밴드 분리, (a) 다수의 반도체 근접 원자는 여전히 상당한 밴드 갭을 초래함, (b) 참조를 위한 다수의 근접 금속 원자.
낮은 온도에서는 이 갭을 가로질러 원자가 전자를 밀어낼 수 있는 열 에너지가 거의 없고 반도체 물질은 절연체로 더 많이 작용합니다. 그러나 더 높은 온도에서는 주변 열 에너지가 전자를 갭을 가로질러 밀어낼 수 있을 만큼 충분해지고 물질은 전기 전도도를 증가시킵니다. 구성 원자의 전자 배열을 조사하여 물질의 전도 특성을 예측하는 것은 어렵습니다. 전기의 가장 좋은 금속 도체(은, 구리, 금)는 모두 단일 전자를 가진 외부 s 하위 껍질을 가지고 있지만 전도도와 원자가 전자 수 사이의 관계는 반드시 일관되지는 않습니다.
서로 다른 원소의 화합물에서 생성되는 전자띠 배열은 구성 원소의 전자띠 배열과 쉽게 연관지어질 수 없습니다.
검토:
- 에너지는 원자가 전자대에서 더 높은 비어 있는 대인 전도대로 전자를 옮기는 데 필요합니다. 껍질 사이를 이동하는 데는 더 많은 에너지가 필요하고, 하위 껍질 사이를 이동하는 데는 덜 필요합니다.
- 금속에서는 원자가와 전도대가 겹치므로, 전자를 제거하는 에너지는 거의 없습니다. 금속은 뛰어난 도체입니다.
- 절연체의 가전자대와 전도대 사이의 큰 간격은 전자를 제거하기 위해 높은 에너지를 필요로 합니다. 따라서 절연체는 전도하지 않습니다.
- 반도체는 원자가와 전도대 사이에 작은 겹치지 않는 간격이 있습니다. 순수 반도체는 좋은 절연체도 아니고 도체도 아닙니다. 반도체는 반도체입니다.