Was ist ein Leitungsband?
In der Quantenmechanik bezeichnet der Begriff Leitungsband einen Bereich kombinierter Orbitale oder eine Bande für Elektronen in einem Molekül. Anders als das Valenzband enthält das Leitungsband selten Elektronen. In angeregten Zuständen bewegen sich Elektronen vorübergehend in das Leitungsband, bevor sie ihre Energie abgeben und in niedrigere Elektronenorbitale zurückfallen. Das Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Bezug auf dieses Band ist hilfreich, um das Verhalten verschiedener Substanzen zu verstehen. In der Quantenmechanik wird das Konzept des Leitungsbandes in der Bandtheorie angesprochen.
Atome sind mit Protonen - positiv geladenen Teilchen - und Neutronen - neutralen Teilchen - in der Mitte angeordnet. Elektronen - winzige negativ geladene Moleküle - umkreisen den zentralen Cluster, ähnlich wie die Planeten im Sonnensystem die Sonne umkreisen. Wie die Planeten haben auch die Elektronen Umlaufbahnen. Im Gegensatz zu den Planeten können sich Elektronen jedoch in eine andere Umlaufbahn bewegen, wenn sie genug Energie gewinnen.
Im Allgemeinen befinden sich Elektronen in den unteren Orbitalen eines Atoms. Elektronen füllen immer zuerst das unterste Orbital und bewegen sich erst dann zum nächsten, wenn das erste gefüllt ist. Diese natürliche Anordnung wird als Grundzustand des Atoms bezeichnet.
Valenzelektronen eines Atoms oder derjenigen, die normalerweise im äußersten Band der Grundzustandsorbitale zu finden sind, können mit anderen Atomen geteilt werden. In kovalenten Bindungen teilen sich Valenzelektronen mehrerer Atome ihre Orbitale. Die ursprünglichen Orbitale der Valenzelektronen verschwimmen und bilden ein Valenzband im Molekül.
Wenn Elektronen Energie gewinnen oder einen angeregten Zustand erreichen, können sie sich zu höheren Orbitalen im Leitungsband bewegen. Elektronen müssen genug Energie haben, um über einen Nichtelektronenbereich oder eine Bandlücke zu springen, um das Leitungsband zu erreichen. Da Elektronen es letztendlich vorziehen, sich im Grundzustand zu befinden, setzen sie Energie in Form von Lichtphotonen frei und fallen auf ihre Valenzbandorbitale zurück. Die Gesamtzeit, die sich ein Elektron im Leitungsband befindet, beträgt weniger als eine Sekunde.
Die Fähigkeit der Elektronen, das Leitungsband zu erreichen, bestimmt die elektrische Leitfähigkeit eines Objekts. Verschiedene Substanzen haben unterschiedliche Bandlückengrößen, daher benötigen einige Substanzen weniger Energie, um Elektronen zwischen den Orbitalen zu bewegen. Zum Beispiel haben Leiter eine kleine Bandlücke, so dass Elektronen nicht viel Energie benötigen, um diese minimale Lücke zu überspringen und das Leitungsband zu erreichen. Aus diesem Grund sind Leiter ideal zum Leiten von Elektrizität. Umgekehrt haben Isolatoren eine sehr große Bandlücke, weshalb sie erheblich mehr Energie benötigen, damit Elektronen den Sprung machen und daher Elektrizität nicht gut leiten können.