Varför inte electron finns i bandet gap?

Kort svar:

Elektronerna är vågor och vågor i en trånga geometri kan existera endast med specifika tillåtna våglängder. Detta gäller för ljudvågor i musikinstrument, vattenvågor i en rippel tank, ljusvågor och elektron vågor i fasta ämnen. Dålig luckor och tillåtna wave regimer finns för alla vågor och är en följd av enkel reflektion, refraktion och störningar.

Långa svaret:

Elektroner i kristaller (inte alla fasta ämnen, men endast regelbundna periodiska matriser av atomer) har energier som begränsad till vissa tillåtna värden eller värdeintervall som kallas "band" eller "energi band" och inte andra värden kallas "luckor" eller "bandgap" av en enkel anledning. Elektronerna är vågor och elektron dynamics beskrivs av en vinka likställanden, specifikt Schroeding ekvationen. Quantum vågor måste respektera samma dynamik som alla vågor och det inbegriper processer för reflektion, refraktion och störningar. Det är dessa processer som skapar de band och bandgap.

Om du uppmanas att förklara varför ett musikinstrument ger ut specifika anteckningar och inte alla möjliga ljud, förklara du det som villkor för wave dynamics. En gitarrsträng vibrerar exempelvis med vågor som kan finnas med hela våglängder som får plats i längden på strängen. Som är helt jämförbar med de fenomen som tvingar förekomsten av band och bandgap för elektroner i fasta ämnen.

I själva verket om du skala saker upp till våglängder lämpligt att ljud (ljud våg är om biljoner gången större än electron vågor.) får du band av tillåtna ljud och bandet luckor där ljudet inte är tillåten. Du kan skapa en mängd utrymme med en vanlig array med objekt som speglar och bryta ljud och i detta utrymme får endast bestämda musikband av våglängder av ljud. Fenomenen är samma. Ekvationerna är samma. Orsaken är densamma.

Om kvantmekanik är konstiga och komplicerade, banden anledning energi i kristaller finns är enkel och helt trogen analogin av anteckningar från ett musikinstrument.

Varning: Om förekomsten av band av denna enkla förklaring följer, prognos av uppförandet av elektroner i särskilt heltäckande kräver en sofistikerad beskrivning av viss Atom och elektronisk interaktion. Man kan spendera en karriär som fysiker att göra sådana beskrivningar och förklara egenskaper för olika typer av fasta ämnen.

Fler svar:

Elektronerna kan bara äga specifika energier. Ett annat sätt att säga detta är att de endast kan ockupera vissa energinivåer. Ett band gap är ett kontinuerligt spektrum av energier där ingen sådan energi nivåer finns. Bandet klyftan är helt enkelt en mängd energi som elektronen inte kan ha.

Om du vill veta varför det finns energi som elektronen kan ha och varför det finns ett gap mellan dessa energi spänner då som har ganska lite mer komplicerat. Ett kort svar skulle vara att det finns luckor eftersom det finns asymmetrier i kristallstrukturen grundläggande upprepande enhet men jag uppskattar det som förmodligen frågar en massa andra frågor.