ठोसों की बैंड सिद्धांत

ठोसों की बैंड सिद्धांत ठोस-अवस्था भौतिकी की एक मूलभूत अवधारणा है जो पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का वर्णन करती है। यह ठोसों की विद्युत और ऊष्मीय गुणों के साथ-साथ उनकी प्रकाशीय और चुंबकीय व्यवहार को समझने के लिए एक ढांचा प्रदान करती है।

मुख्य अवधारणाएँ

• ऊर्जा बैंड: किसी ठोस में इलेक्ट्रॉन गैस या द्रव की तरह स्वतंत्र रूप से नहीं चलते। इसके बजाय वे कुछ निश्चित ऊर्जा स्तरों—जिन्हें ऊर्जा बैंड कहा जाता है—के भीतर ही सीमित रहते हैं। ये बैंड इलेक्ट्रॉनों और परमाणु जालक के आवर्ती विभव के परस्पर क्रिया से बनते हैं।

• बैंड अंतराल: ऊर्जा अंतराल वैलेंस बैंड और चालक बैंड के बीच की ऊर्जा का अंतर है। धातु में चालक बैंड और वैलेंस बैंड एक-दूसरे से ओवरलैप करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से इनके बीच चल सकते हैं। अर्धचालक में यह ऊर्जा अंतराल छोटा होता है, इसलिए ऊष्मीय ऊर्जा या प्रकाश के अवशोषण से इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से चालक बैंड में उत्तेजित किया जा सकता है। एक विद्युतरोधी में यह ऊर्जा अंतराल बड़ा होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से चालक बैंड में उत्तेजित करना कठिन होता है।

• फर्मी स्तर: फर्मी स्तर वह ऊर्जा स्तर है जिस पर इलेक्ट्रॉन मिलने की प्रायिकता 50% होती है। धातु में फर्मी स्तर चालकता बैंड के भीतर स्थित होता है, जिससे इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं। अर्धचालक में फर्मी स्तर ऊर्जा अंतराल के मध्य के निकट स्थित होता है, इसलिए चालकता बैंड में कुछ ही इलेक्ट्रॉन होते हैं। एक विद्युतरोधी में फर्मी स्तर संयोजी बैंड के शीर्ष के निकट स्थित होता है, इसलिए चालकता बैंड में लगभग कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होता।

ठोसों की बैंड सिद्धांत सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना और गुणों को समझने का एक शक्तिशाली उपकरण है। यह प्रयोगात्मक आंकड़ों की व्याख्या करने और नई सामग्रियों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए एक ढांचा प्रदान करता है।

परमाणु के भीतर ऊर्जा बैंड

ऊर्जा बैंड परमाणु या अणु में निकटता से व्यवस्थित ऊर्जा स्तरों की एक श्रृंखला है। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड के भीतर स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं, लेकिन वे बैंड से बाहर के ऊर्जा स्तरों पर नहीं जा सकते। परमाणु या अणु के ऊर्जा बैंड उसमें इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था द्वारा निर्धारित होते हैं।

संयोजी बैंड और चालकता बैंड

परमाणु या अणु के दो सबसे महत्वपूर्ण ऊर्जा बैंड संयोजी बैंड और चालकता बैंड हैं। संयोजी बैंड वह सर्वोच्च ऊर्जा बैंड है जो निरपेक्ष शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। चालकता बैंड वह न्यूनतम ऊर्जा बैंड है जो निरपेक्ष शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से रिक्त होता है।

वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड के बीच की ऊर्जा अंतराल को बैंड गैप कहा जाता है। बैंड गैप निर्धारित करता है कि कोई परमाणु या अणु चालक है, अर्धचालक है, या विद्युतरोधी।

• चालक: एक चालक में बैंड गैप बहुत छोटा होता है। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन आसानी से वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में जा सकते हैं। परिणामस्वरूप, चालक विद्युत का अच्छा संचालन करते हैं।

• अर्धचालक: एक अर्धचालक में बैंड गैप चालक की तुलना में बड़ा होता है, लेकिन यह अभी भी इतना छोटा होता है कि थोड़ी-सी ऊर्जा से इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में जा सकते हैं। इसका अर्थ है कि अर्धचालक विद्युत का संचालन कर सकते हैं, लेकिन वे चालक की तरह अच्छे नहीं होते।

• विद्युतरोधी: एक विद्युतरोधी में बैंड गैप बहुत बड़ा होता है। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन बहुत अधिक ऊर्जा के बिना वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में नहीं जा सकते। परिणामस्वरूप, विद्युतरोधी विद्युत के संचालन में बहुत खराब होते हैं।

ऊर्जा बैंडों के अनुप्रयोग

परमाणुओं और अणुओं के ऊर्जा बैंड भौतिकी और रसायन विज्ञान के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, अर्धचालकों के ऊर्जा बैंडों का उपयोग ट्रांजिस्टर बनाने में किया जाता है, जो कंप्यूटरों की मूल इकाइयाँ हैं। परमाणुओं और अणुओं के ऊर्जा बैंड धातुओं, विद्युतरोधियों और अर्धचालकों जैसी सामग्रियों के गुणों को समझने में भी महत्वपूर्ण हैं।

एक अणु के अंदर ऊर्जा स्तर जो दो परमाणुओं से बना है

एक अणु परमाणुओं का एक समूह होता है जो रासायनिक बंधों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। एक अणु के ऊर्जा स्तर अणु के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था और उन बंधों के प्रकारों द्वारा निर्धारित होते हैं जो उन्हें एक साथ बांधते हैं।

• आण्विक कक्षक: एक अणु में इलेक्ट्रॉन कक्षकों में चलते हैं, जो अंतरिक्ष के ऐसे क्षेत्र होते हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन मिलने की प्रायिकता सबसे अधिक होती है। एक अणु के कक्षक व्यक्तिगत परमाणुओं के परमाण्विक कक्षकों के संयोजन द्वारा निर्धारित होते हैं। जब दो परमाणु एक अणु बनाने के लिए एक साथ आते हैं, तो उनके परमाण्विक कक्षक अतिव्यापित होते हैं और आण्विक कक्षक बनाने के लिए संयुक्त होते हैं। एक अणु के आण्विक कक्षक आमतौर पर व्यक्तिगत परमाणुओं के परमाण्विक कक्षकों की तुलना में कम ऊर्जा वाले होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक अणु में इलेक्ट्रॉन अधिक स्थिर होते हैं जब वे दो या अधिक परमाणुओं के बीच साझा किए जाते हैं।

• बॉन्डिंग और एंटीबॉन्डिंग कक्षक: किसी अणु के आण्विक कक्षकों को या तो बॉन्डिंग कक्षक या एंटीबॉन्डिंग कक्षक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। बॉन्डिंग कक्षक वे कक्षक होते हैं जिनकी ऊर्जा व्यक्तिगत परमाणुओं के परमाण्विक कक्षकों से कम होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बॉन्डिंग कक्षक में इलेक्ट्रॉन दो या अधिक परमाणुओं के बीच साझा किए जाते हैं और इसलिए अधिक स्थिर होते हैं। एंटीबॉन्डिंग कक्षक वे कक्षक होते हैं जिनकी ऊर्जा व्यक्तिगत परमाणुओं के परमाण्विक कक्षकों से अधिक होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एंटीबॉन्डिंग कक्षक में इलेक्ट्रॉन दो या अधिक परमाणुओं के बीच साझा नहीं किए जाते हैं और इसलिए कम स्थिर होते हैं।

• ऑफ़बाउ सिद्धांत: ऑफ़बाउ सिद्धांत कहता है कि इलेक्ट्रॉन सबसे कम ऊर्जा वाले कक्षकों को पहले भरते हैं। इसका अर्थ है कि अणु में इलेक्ट्रॉन एंटीबॉन्डिंग कक्षकों को भरने से पहले बॉन्डिंग कक्षकों को भरेंगे।

• पाउली अपवर्जन सिद्धांत: पाउली अपवर्जन सिद्धांत कहता है कि कोई भी दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम अवस्था को नहीं ग्रहण कर सकते। इसका अर्थ है कि प्रत्येक आण्विक कक्षक में केवल दो इलेक्ट्रॉन ही हो सकते हैं, एक प्रत्येक स्पिन के साथ।

• हुंड नियम: हुंड नियम कहता है कि अणु में इलेक्ट्रॉनों के समूह के लिए सबसे कम ऊर्जा विन्यास वह होता है जिसमें इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या अयुग्मित स्पिनों की हो। ऐसा इसलिए है क्योंकि समान स्पिन वाले इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, इसलिए सबसे कम ऊर्जा वाला विन्यास वह होता है जिसमें इलेक्ट्रॉन यथासंभव फैले हुए हों।

एक अणु की ऊर्जा स्तर उस अणु के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था और उन्हें एक साथ बाँधने वाले रासायनिक बंधों के प्रकारों द्वारा निर्धारित होते हैं। एक अणु के आण्विक कक्षक व्यक्तिगत परमाणुओं के परमाण्विक कक्षकों के संयोजन से बनते हैं। एक अणु में इलेक्ट्रॉन सबसे पहले न्यूनतम ऊर्जा वाले कक्षकों को भरते हैं, आउफ़बाउ सिद्धांत के अनुसार। पाउली अपवर्जन सिद्धांत कहता है कि कोई भी दो इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम अवस्था को नहीं ग्रहण कर सकते। हुंड का नियम कहता है कि एक अणु में इलेक्ट्रॉनों के समूह के लिए न्यूनतम ऊर्जा विन्यास वह होता है जिसमें इलेक्ट्रॉनों के अयुग्मित स्पिनों की संख्या अधिकतम हो।

तीन परमाणुओं वाले अणु के भीतर ऊर्जा स्तर

तीन परमाणुओं वाले अणु की ऊर्जा स्तर संरचना द्विपरमाण्विक अणुओं की तुलना में अधिक जटिल होती है। तीन परमाणुओं के बीच की अन्योन्यक्रिया अतिरिक्त ऊर्जा स्तर और उप-स्तर उत्पन्न करती है। यहाँ तीन-परमाण्विक अणु के भीतर ऊर्जा स्तरों का अवलोकन है:

• आण्विक कक्षक: तीन-परमाण्विक अणु में इलेक्ट्रॉन आण्विक कक्षकों में रहते हैं, जो परमाण्विक कक्षकों के संयोजन से बनते हैं। आण्विक कक्षकों को उनके सममितिता और ऊर्जा स्तरों के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है। सबसे न्यूनतम ऊर्जा वाला आण्विक कक्षक बंधन कक्षक होता है, जो परमाण्विक कक्षकों की रचनात्मक व्यतिकरण से बनता है। अगला उच्चतर ऊर्जा वाला आण्विक कक्षक प्रतिबंधन कक्षक होता है, जो परमाण्विक कक्षकों विनाशकारी व्यतिकरण से बनता है।

• ऊर्जा स्तर: एक त्रि-परमाणुक अणु के ऊर्जा स्तर परमाण्वीय कक्षकों के बीच की अन्योन्यक्रियाओं और अणु में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों की संख्या द्वारा निर्धारित होते हैं। ऊर्जा स्तरों को सामान्यतः आण्विक कक्षक आरेख द्वारा दर्शाया जाता है, जो आण्विक कक्षकों की सापेक्ष ऊर्जाएँ दिखाता है। त्रि-परमाणुक अणु के लिए आण्विक कक्षक आरेख, द्वि-परमाणुक अणु की तुलना में अधिक जटिल होता है, क्योंकि इसमें तीन परमाण्वीय कक्षकों की अन्योन्यक्रियाएँ सम्मिलित होती हैं।

• उप-स्तर: प्रत्येक आण्विक कक्षक को इलेक्ट्रॉनों के स्पिन के आधार पर उप-स्तरों में विभाजित किया जा सकता है। दो उप-स्तरों को $\alpha$ और $\beta$ के रूप में नामित किया गया है। $\alpha$ उप-स्तर उन इलेक्ट्रॉनों से संबंधित है जिनका स्पिन ऊपर है, जबकि $\beta$ उप-स्तर उन इलेक्ट्रॉनों से संबंधित है जिनका स्पिन नीचे है।

• हुंड का नियम: हुंड का नियम कहता है कि अणु के लिए न्यूनतम ऊर्जा विन्यास वह होता है जिसमें समान स्पिन वाले अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या हो। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन समान ऊर्जा वाले कक्षकों (समतुल्य कक्षक) में अपने स्पिन संरेखित करते हुए युग्मित होने से पहले आक्रमण करेंगे।

उदाहरण

यहाँ त्रि-परमाणुक अणु के भीतर ऊर्जा स्तरों के कुछ उदाहरण दिए गए हैं:

• जल अणु (H2O): जल अणु में तीन परमाण्वीय कक्षक होते हैं: प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु से 1s और ऑक्सीजन परमाणु से 2p। इन परमाण्वीय कक्षकों के संयोजन से बने आण्विक कक्षक हैं:

  • आबंधी कक्षक: $\sigma_{1s}$, $\sigma_{2p_z}$
  • प्रतिआबंधी कक्षक: $\sigma_{1s}^$, $\sigma_{2p_z}^$

• कार्बन डाइऑक्साइड अणु (CO2): कार्बन डाइऑक्साइड अणु में चार परमाण्वीय कक्षक होते हैं: कार्बन परमाणु के 2s और 2p तथा दो ऑक्सीजन परमाणुओं के दो 2p कक्षक। इन परमाण्वीय कक्षकों के संयोजन से बने आण्विक कक्षक इस प्रकार हैं:

  • आबंधन कक्षक: $\sigma_{2s}$, $\sigma_{2p_z}$, $\pi_{2p_x}$, $\pi_{2p_y}$
  • प्रतिआबंधन कक्षक: $\sigma_{2s}^$, $\sigma_{2p_z}^$, $\pi_{2p_x}^$, $\pi_{2p_y}^$

तीन परमाणुओं से बने अणु के अंदर ऊर्जा स्तर द्विपरमाण्विक अणुओं की तुलना में अधिक जटिल होते हैं क्योंकि तीनों परमाण्वीय कक्षकों के बीच पारस्परिक क्रियाएँ होती हैं। आण्विक कक्षकों को उनकी सममिति और ऊर्जा स्तरों के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, और प्रत्येक आण्विक कक्षक को इलेक्ट्रॉनों के स्पिन के आधार पर उप-स्तरों में और विभाजित किया जा सकता है। हुंड का नियम अणु के लिए न्यूनतम ऊर्जा विन्यास निर्धारित करता है, जिसमें समान स्पिन वाले अधिकतम अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं।

अवोगाद्रो संख्या के परमाणुओं से बने ठोस अणु के अंदर ऊर्जा स्तर

अवोगाद्रो की संख्या के परमाणुओं से बना ठोस अणु अपने घटक परमाणुओं के बीच पारस्परिक क्रियाओं के कारण ऊर्जा स्तरों का एक अनूठा arrangement प्रदर्शित करता है। इन ऊर्जा स्तरों को समझना ठोसों के भौतिक और रासायनिक गुणों को समझने के लिए अत्यंत आवश्यक है।

• बैंड संरचना: एक ठोस में, व्यक्तिगत परमाणुओं की ऊर्जा स्तर एक-दूसरे में मिलकर अनुमत ऊर्जा अवस्थाओं के सतत बैंड बनाते हैं। इन बैंडों के बीच निषिद्ध ऊर्जा गैप होते हैं। इन बैंडों की व्यवस्था सामग्री की विद्युत और ऊष्मीय गुणों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

• वैलेंस बैंड और चालक बैंड: वैलेंस बैंड वह सबसे ऊँचा ऊर्जा बैंड है जो परम शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। चालक बैंड वह सबसे निचला ऊर्जा बैंड है जो परम शून्य तापमान पर खाली होता है। वैलेंस बैंड और चालक बैंड के बीच का ऊर्जा गैप यह निर्धारित करने में महत्वपूर्ण है कि सामग्री एक इन्सुलेटर, अर्धचालक या चालक है।

• इन्सुलेटर: इन्सुलेटरों में वैलेंस बैंड और चालक बैंड के बीच का ऊर्जा गैप बड़ा होता है। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से चालक बैंड में छलांग लगाने के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परिणामस्वरूप, इन्सुलेटर कमरे के तापमान पर विद्युत का चालन नहीं करते।

• अर्धचालक: अर्धचालकों में वैलेंस बैंड और चालक बैंड के बीच का ऊर्जा गैप इन्सुलेटरों की तुलना में छोटा होता है। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन ऊष्मा या प्रकाश ऊर्जा के प्रयोग से वैलेंस बैंड से चालक बैंड में अधिक आसानी से छलांग लगा सकते हैं। परिणामस्वरूप, अर्धचालक कुछ परिस्थितियों में विद्युत का चालन कर सकते हैं।

चालकों में, संयोजी बैंड और चालक बैंड ऊर्जा में ओवरलैप होते हैं या बहुत निकट होते हैं। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन आसानी से संयोजी बैंड से चालक बैंड में स्थानांतरित हो सकते हैं, यहाँ तक कि कमरे के तापमान पर भी। परिणामस्वरूप, चालक आसानी से विद्युत चालन करते हैं।

n-संख्या के परमाणुओं से बने ठोस के अंदर ऊर्जा स्तर

एक ठोस में, परमाणु एक नियमित, पुनरावृत्त पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं जिसे क्रिस्टल जालक कहा जाता है। ठोस में इलेक्ट्रॉन गैस या द्रव की तरह स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए स्वतंत्र नहीं होते, बल्कि वे निश्चित ऊर्जा स्तरों तक सीमित होते हैं। ठोस के ऊर्जा स्तर क्रिस्टल जालक में परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों के बीच की अंतःक्रियाओं द्वारा निर्धारित होते हैं।

बैंड संरचना

ठोस के ऊर्जा स्तरों को एक बैंड संरचना आरेख द्वारा दर्शाया जा सकता है। एक बैंड संरचना आरेख ठोस में इलेक्ट्रॉनों के लिए अनुमत ऊर्जा स्तरों को उनके संवेग के फलन के रूप में दर्शाता है। बैंडों को बैंड गैप्स नामक अंतरालों द्वारा अलग किया जाता है।

बैंड गैप्स की चौड़ाई यह निर्धारित करती है कि कोई ठोस चालक, अर्धचालक या विद्युतरोधी है। एक चालक में, बैंड गैप इतना छोटा होता है कि इलेक्ट्रॉन आसानी से संयोजी बैंड से चालक बैंड में स्थानांतरित हो सकते हैं। एक अर्धचालक में, बैंड गैप बड़ा होता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन अभी भी ऊष्मीय ऊर्जा या प्रकाश के अवशोषण द्वारा संयोजी बैंड से चालक बैंड में उत्तेजित हो सकते हैं। एक विद्युतरोधी में, बैंड गैप इतना बड़ा होता है कि इलेक्ट्रॉन संयोजी बैंड से चालक बैंड में उत्तेजित नहीं हो सकते।

ऊर्जा स्तरों की घनत्व

स्थितियों का घनत्व (DOS) एक ठोस में इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध ऊर्जा स्थितियों की संख्या का एक माप है। DOS ऊर्जा का एक फलन है, और इसका उपयोग यह गणना करने के लिए किया जा सकता है कि कितने इलेक्ट्रॉन एक दी गई ऊर्जा स्तर पर आबाद हैं।

DOS महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक ठोस के विद्युत और ऊष्मीय गुणों को निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, एक ठोस जिसमें फर्मी स्तर पर उच्च DOS होगा, वह विद्युत का एक अच्छा चालक होगा, जबकि एक ठोस जिसमें फर्मी स्तर पर निम्न DOS होगा, वह विद्युत का एक खराब चालक होगा।

एक ठोस के अंदर की ऊर्जा स्तर क्रिस्टल जालक में इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं के बीच की अन्योन्य क्रियाओं द्वारा निर्धारित होते हैं। एक ठोस की बैंड संरचना का उपयोग उस ठोस के विद्युत और ऊष्मीय गुणों को समझने के लिए किया जा सकता है।

विभिन्न द्रव्य अवस्थाओं की सामग्री के अंदर ऊर्जा स्तर

एक सामग्री के अंदर की ऊर्जा स्तर उसकी द्रव्य अवस्था पर निर्भर करते हैं। सामान्यतः, एक सामग्री के ऊर्जा स्तर तापमान बढ़ने के साथ बढ़ते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक सामग्री में परमाणु और अणु उच्च तापमान पर तेजी से गतिशील होते हैं, और यह वृद्ध गति उच्च ऊर्जा स्तरों के अनुरूप होती है।

• ठोस: ठोस में, परमाणु और अणु मजबूत अंतर-आण्विक बलों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। इसका अर्थ है कि परमाणु और अणु अधिक नहीं हिल-डुल सकते, और उनकी ऊर्जा स्तर अपेक्षाकृत कम होते हैं। ठोस की ऊर्जा स्तरों को आमतौर पर दो बैंडों में विभाजित किया जाता है: संयोजकता बैंड और चालकता बैंड। संयोजकता बैंड वह ऊर्जा स्तरों का बैंड है जिसे परमाणु शून्य तापमान पर पदार्थ के इलेक्ट्रॉन अधिकृत करते हैं। चालकता बैंड वह ऊर्जा स्तरों का बैंड है जिसे इलेक्ट्रॉन ताप या प्रकाश द्वारा उत्तेजित होने पर अधिकृत कर सकते हैं।

• द्रव: द्रव में, परमाणु और अणु ठोस की तुलना में कमजोर अंतर-आण्विक बलों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। इसका अर्थ है कि परमाणु और अणु अधिक स्वतंत्र रूप से हिल-डुल सकते हैं, और उनकी ऊर्जा स्तर ठोस की तुलना में अधिक होते हैं। द्रव की ऊर्जा स्तर आमतौर पर सतत होते हैं, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा स्तरों के कोई स्पष्ट बैंड नहीं होते।

• गैस: गैस में, परमाणु और अणु किसी महत्वपूर्ण अंतर-आण्विक बलों द्वारा एक साथ नहीं बंधे होते हैं। इसका अर्थ है कि परमाणु और अणु बहुत स्वतंत्र रूप से हिल-डुल सकते हैं, और उनकी ऊर्जा स्तर बहुत अधिक होते हैं। गैस की ऊर्जा स्तर आमतौर पर सतत होते हैं, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा स्तरों के कोई स्पष्ट बैंड नहीं होते।

प्रावस्था संक्रमण

जब कोई पदार्थ चरण परिवर्तन से गुजरता है, जैसे ठोस से द्रव या द्रव से गैस, तो पदार्थ की ऊर्जा स्तर बदल जाते हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि चरण परिवर्तन के दौरान परमाणुओं और अणुओं के बीच अंतर-आणविक बल बदल जाते हैं। उदाहरण के लिए, जब कोई ठोस पिघलता है, तो परमाणुओं और अणुओं के बीच अंतर-आणविक बल घट जाते हैं, और यह परमाणुओं और अणुओं को अधिक स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति देता है। यह बढ़ी हुई गति उच्च ऊर्जा स्तरों के अनुरूप होती है, इसलिए पदार्थ के पिघलने पर उसके ऊर्जा स्तर बढ़ जाते हैं।

किसी पदार्थ के भीतर के ऊर्जा स्तर उसकी पदार्थ की अवस्था पर निर्भर करते हैं। सामान्य तौर पर, किसी पदार्थ के ऊर्जा स्तर तापमान बढ़ने और चरण परिवर्तनों के साथ बढ़ते हैं।

ठोसों की बैंड सिद्धांत का महत्व

ठोसों की बैंड सिद्धांत ठोस-अवस्था भौतिकी की एक मौलिक अवधारणा है जो ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का वर्णन करती है। यह सामग्रियों की विद्युत, ऊष्मीय और प्रकाशीय गुणों को समझने के लिए एक सैद्धांतिक ढांचा प्रदान करती है। यहाँ बैंड सिद्धांत के महत्व को दर्शाने वाले कुछ प्रमुख बिंदु दिए गए हैं:

• इलेक्ट्रॉनिक संरचना की समझ: बैंड सिद्धांत यह विस्तृत समझ प्रदान करता है कि इलेक्ट्रॉन ठोसों में कैसे व्यवहार करते हैं। यह ऊर्जा बैंडों के निर्माण की व्याख्या करता है, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए अनुमत ऊर्जा स्तर होते हैं, और बैंडगैप्स की उपस्थिति को भी समझाता है, जो ऐसी ऊर्जा सीमाएँ होती हैं जहाँ कोई इलेक्ट्रॉन अवस्थाएँ अनुमत नहीं होती हैं।

• सामग्रियों का वर्गीकरण: बैंड सिद्धांत सामग्रियों को उनके बैंड संरचनाओं के आधार पर चालक, अर्धचालक और विद्युतरोधी में वर्गीकृत करने में सक्षम बनाता है। चालकों में चालन और संयोजन बैंड एक-दूसरे से ओवरलैप होते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों की आसान गति संभव होती है। अर्धचालकों में एक छोटा बैंडगैप होता है, जबकि विद्युतरोधियों में एक बड़ा बैंडगैप होता है, जो उनकी विद्युत चालकता निर्धारित करता है।

• अर्धचालक और उपकरण अनुप्रयोग: बैंड सिद्धांत अर्धचालकों के व्यवहार को समझने में महत्वपूर्ण है, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यक हैं। यह समझाता है कि अर्धचालकों को डोप करके n-प्रकार और p-प्रकार की सामग्रियाँ कैसे बनाई जा सकती हैं, जो ट्रांजिस्टर, डायोड और एकीकृत परिपथों की आधारशिला बनती हैं।

• प्रकाशीय गुणधर्म: बैंड सिद्धांत ठोस पदार्थों के प्रकाशीय गुणधर्मों में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। यह सामग्रियों द्वारा प्रकाश के अवशोषण, परावर्तन और पारगमन को उनकी बैंड संरचनाओं के आधार पर समझाता है। यह ज्ञान आप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, सौर सेल और अन्य प्रकाश-आधारित प्रौद्योगिकियों के लिए महत्वपूर्ण है।

• सामग्री डिज़ाइन और अभियांत्रिकी: बैंड सिद्धांत सामग्री डिज़ाइन और अभियांत्रिकी के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में कार्य करता है। बैंड संरचना को नियंत्रित करके वैज्ञानिक विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए सामग्रियों के गुणधर्मों को अनुकूलित कर सकते हैं। इसमें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए नए अर्धचालक विकसित करना, वांछित प्रकाशीय गुणधर्मों वाली सामग्रियाँ डिज़ाइन करना और ऊर्जा संग्रह और रूपांतरण के लिए नवीन सामग्रियों की खोज करना शामिल है।

• सैद्धांतिक आधार: ठोस पदार्थों की बैंड सिद्धांत अच्छी तरह स्थापित है और व्यापक प्रायोगिक प्रमाणों द्वारा समर्थित है। यह ठोस अवस्था भौतिकी के कई अन्य क्षेत्रों—जैसे अतिचालकता, चुंबकत्व और परिवहन घटनाएँ—के लिए सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है।

संक्षेप में, ठोस पदार्थों की बैंड सिद्धांत सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना और गुणों को समझने में अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसने ठोस अवस्था भौतिकी की हमारी समझ में क्रांति ला दी है और उन्नत सामग्रियों और प्रौद्योगिकियों के विकास में निरंतर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

ठोस पदार्थों की बैंड सिद्धांत: अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

1. ठोस पदार्थों की बैंड सिद्धांत क्या है?

ठोस पदार्थों की बैंड सिद्धांत एक मॉडल है जो ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का वर्णन करता है। यह बताता है कि किस प्रकार ठोस में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा स्तर बैंडों में व्यवस्थित होते हैं, जो ऊर्जा अंतरालों द्वारा पृथक होते हैं। ठोस की बैंड संरचना उसके विद्युत और ऊष्मीय गुणों को निर्धारित करती है।

2. ठोस में बैंडों के विभिन्न प्रकार क्या हैं?

ठोस में मुख्यतः तीन प्रकार के बैंड होते हैं:

• चालन बैंड: ये वे बैंड होते हैं जो कमरे के तापमान पर आंशिक रूप से इलेक्ट्रॉनों से भरे होते हैं। चालन बैंड में मौजूद इलेक्ट्रॉन ठोस पदार्थ में स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं और ये विद्युत चालन के लिए उत्तरदायी होते हैं।
• संयोजी बैंड: ये वे बैंड होते हैं जो कमरे के तापमान पर पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरे होते हैं। संयोजी बैंड में मौजूद इलेक्ट्रॉन ठोस पदार्थ में स्वतंत्र रूप से नहीं घूम सकते और ये विद्युत चालन में योगदान नहीं देते।
• निषिद्ध बैंड: ये चालन और संयोजी बैंडों के बीच की ऊर्जा खाली जगहें होती हैं। इलेक्ट्रॉन निषिद्ध बैंडों में मौजूद नहीं हो सकते।

3. फर्मी स्तर क्या है?

फर्मी स्तर वह ऊर्जा स्तर है जिस पर इलेक्ट्रॉन के मिलने की प्रायिकता 50% होती है। कमरे के तापमान पर फर्मी स्तर प्रायः निषिद्ध बैंड के बीच में स्थित होता है।

4. धातु, अर्धचालक और विद्युत रोधक में क्या अंतर है?

धातु, अर्धचालक और विद्युत रोधक के बीच का अंतर निषिद्ध बैंड की चौड़ाई द्वारा निर्धारित होता है।

• धातुएँ: धातुओं में निषिद्ध बैंड बहुत छोटा होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन आसानी से संयोजकता बैंड से चालकता बैंड में जा सकते हैं। इसका अर्थ है कि धातुएँ विद्युत की अच्छी चालक होती हैं।
• अर्धचालक: अर्धचालकों में धातुओं की तुलना में निषिद्ध बैंड बड़ा होता है, लेकिन फिर भी इतना छोटा होता है कि ऊष्मा या प्रकाश लगाने पर इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड से चालकता बैंड में उत्तेजित हो सकते हैं। इसका अर्थ है कि अर्धचालक विद्युत का संचरण कर सकते हैं, लेकिन धातुओं की तरह अच्छी तरह से नहीं।
• विद्युतरोधी: विद्युतरोधी पदार्थों में निषिद्ध बैंड बहुत बड़ा होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड से चालकता बैंड में उत्तेजित नहीं हो सकते। इसका अर्थ है कि विद्युतरोधी विद्युत के बहुत खराब चालक होते हैं।

5. ठोसों की बैंड सिद्धांत के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?

ठोसों की बैंड सिद्धांत का उपयोग ठोसों में विभिन्न प्रकार की घटनाओं को समझाने के लिए किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• विद्युत चालकता
• ऊष्मीय चालकता
• प्रकाशीय गुण
• चुंबकीय गुण
• अतिचालकता

ठोसों की बैंड सिद्धांत का उपयोग विशिष्ट गुणों वाली नई सामग्रियों को डिज़ाइन करने के लिए भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, अर्धचालक ट्रांज़िस्टरों में उपयोग किए जाते हैं, जो कंप्यूटरों की मूलभूत इकाइयाँ होती हैं।