Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках, изоляторах
Твердые тела, как и жидкость, относят к конденсированным средам. Внутренняя энергия твердого тела состоит из кинетической энергии колебаний и потенциальной энергии связи.
Металлическая связь возникает при сближении атомов на расстоянии, меньшее размеров облака внешних электронов. Согласно принципу Паули, при такой конфигурации растет энергия внешних электронов, и ядра соседей начинают притягивать эти внешние электроны, размывая электронные облака. И внешние электроны, наконец-то, равномерно распределяются по металлу, образуя электронный газ.
Классическая теория металлов разработана в 1900 году ученым П.Друде на основе представлений о носителях тока в металлах. По классической теории металлов, электроны ведут себя как атомы идеального газа. Но в отличии лот молекул идеального газа электроны проводимости сталкиваются не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку. Столкновения устанавливают равновесия между этими двумя подсистемами. Согласно кинетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна 105 м/с. Сопротивление металлов объяснялось соударением электронов с ионами, и плотность тока прямо пропорциональна напряженности поля (закон Ома) с коэффициентом проводимости. К концу свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию, которую теряет при столкновении с ионом. Эта энергия переходит во внутреннюю и способствует повышению температуры. Количество этой энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.
Но классическая теория вызывала противоречия, которые были сняты в квантовой теории металлов. Первым успехом явилось объяснение Эйнштейном в 1906 году малой теплоемкости твердых тел при низких температурах. Теплоемкость твердых тел при малой температуре меняется пропорционально кубу температур. Грюнайзен вывел новое уравнение состояния твердых тел и получил из него зависимость между линейным коэффициентом расширения твердого тела и его сжимаемостью. Внешние электроны обладают коллективными свойствами, и их кинетическая энергия равна (5-10)Эв, вместо 3*10-2Эв. Энергетической состояние любого электрона определяется четырьмя квантовыми числами. Невозбужденное состояние соответствует минимуму свободной энергии. Каждый энергетический уровень при сближении атомов расщепляется, образуя металлическую зону плотно расположенных уровней. Эти зоны разрешенных уровней , разделены промежутками – зонами запрещенных уровней.
Деление веществ по проводимости тока:
Проводники
Полупроводники – они характеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтому для увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристалла определяется шириной запрещенной зоны. Полупроводники стали активно выходить в технику в 20 г. 20 века. Появились выпрямители и фотоэлементы. Собственная проводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровней в зону проводимости. Освобождаемое место называется дыркой. В отсутствии поля они движутся хаотически. При включении поля происходит процесс заряда в кристалле, который накладывается на хаотическое движение. Каждой температуре соответствует определенная концентрация электронов и дырок. Примесная проводимость полупроводников возникает, если некоторые атомы в узлах кристаллической решетки заменить на другие, валентность которых отличает на единицу.
Диэлектрики – диэлектрики или изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловой энергии уже не достаточно для перевода электронов через нее. Сегнетоэлектрики – группа кристаллических диэлектриков, которая способна к самопроизвольной поляризации в отсутствии внешнего электрического поля. Для каждого сегнетоэлектрика существует область, когда эти свойства проявляются. Поляризация в них возникает при механической нагрузке в степени, пропорциональной степени упругой деформации. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде нескольких простых решеток, вставленных друг в друга. Если у кристалла нет центра симметрии, при деформации происходит относительное перемещение простых решеток и возникает поляризация.
Сейчас в природе существуют конденсированные среды, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов. Это стекло, сталь, сплавы. Свобода расположения атомов в пространстве изменяет электрические, магнитные, сверхпроводящие свойства этих тел.
Другие статьи:
Как плавает пиявка
Схему поведения бабочки мы выдумали сами: как она управляет своими крыльями на самом деле — неизвестно. А есть ли случаи, когда удалось разобраться в связях реально существующих нейронных схем и понять, как они работают? Надо сказать чест ...
Реконструкция изображения и двумерные кристаллы
Трехмерные кристаллы мембранных белков получить очень трудно, но многие из них образуют двумерные упорядоченные структуры. В некоторых случаях белки формируют такие структуры in vivo,. При подходя-" щих условиях такие белки, как и мн ...
Мембранные потенциалы и их ионная природа
Мембранная теория биопотенциалов была выдвинута еще в 1902 году Бернштейном. Но только в 50-х годах эта теория была по-настоящему развита и экспериментально обоснована Ходжкиным, которому принадлежат основные идеи и теории о роли ионных г ...