nekrasovI (1114433), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Йействптельво, прпсоедпкяя свободные электрокы металлической структуры (рпс. Ш-58) к ее положятельпым попам плп пейтральпым атомам, получпм соответственно атомную илп поппую структуру. Иначе говоря, можно представлять себе металлическую структуру квк отвечающую такому состокпкю, когда электровы от одякх атомов уже отщ ел ил псь, а к другим еще не яр ясоед яп пл псь.
Устойчивость полобкого промсжуточвого состояппя и составляет характерную особеявость металлов. б А. Структура твердых тел 4) Помимо изложенного выше, существуют два других представления о внутреннем строении металлов. Согласно одному из ннх, ионизироввиы все атомы металла, т. е. последний построен только нз положительных ионов и свободных электронов. По другому представлению металл считается состоящим из нейтральных атомов, положительных и от р ицв т ель н ых ионов данного элемента, т.
е. свободные влектроиы нз рассмотрения исключаются. Строение металла с этой «беээлектроиноА» точки зрения передается схемоА рнс. П1-62. Так как между отдельными атаками возможен постоянный обмен состояниями (обуславлеииыА обменом электронами), хорошая электрапроводность металлов и их механическан деформируемость этому представлению не про. тяворечат. Однако общность оптических свойств металлов говорит за наличие в них «электронного газа». Средняя скорость движения электронов в этом газе составляет около 100 кл/сек, т.
е. она примерно в двести раа выше средних скоростей теплового дваженин молекул в воздухе. 6) Весьма важноА особенностью типичных' металлов является ях сравнительно легкая механическая деформ яруемость, позволяющая путем соответ- стэующеА обработки иа холоду («холодная обработка») нли при высоких температурах («горячая обрабаща») придавать металлу ту или иную форму. По определению („)-(,Н,)-(,) О О+ О О+ О О+ О О+ О+ О О+ О 0+00+0 0+00+0 0+00+0 ОО+ОО+ 00+00+ ОО+ОО+ браннер Иеннал лентяй нлп«екнув Рис. П!.аэ. Схема сдвига слоев нря раэаых тинах структур. М.
В. Ломоносова, «металлом называется светлое тело, которое ковать можно>. Напротяв, подобные алмазу и ХаС! твердые вещества хрупки, т. е. при попытках нх механической обработки раскалываются. Причины столь резкого различия свойств выясняютси иэ рассмотрения риа П!.63. Результатом всякого механичесяого воздебствня на твердое вещество являетсн сме. щенне отдельных слоев его пространствеиноА решетки. При подобном смещении' в а то м и о А структуре сцепление между слоями нарушается из.за разрыва валеитных связей, в и они оА — из-за взаимного отталкивания одноименно заряженных ионов. Совершенно иначе обстоит дело в м е та лл и че ско А структуре: благодаря возможности свободного перераспределения электронов сцепление между слоями здесь все время сахраияетси.
6) При наличии в металле примесей (особенно элементов, сильно отлячающнхсн ат него по химическому характеру) последние обуааовливают нарушение его структурной однородности и тем самым затрудняют скольжение друг около друга отдельных слоев пространственной решетки. Влияние примесей на механяческую деформируемосгь может быть грубо сопоставлепо с действием песка, насыпанного под полозья движущихся по льду санок. С другоА стороны. аримесн уменьп)ают также свободу перемещения электронов, чем и обусловлено обычно наблюдаемое аониже. иие электро- и теплопроводности чистых металлов при их загризиеинн. На практп ~с.
оком использовании подобного влияния примесей основано получение различныч технически важных сплавов, сводстаа которых более нли менее сильно отличаются от свойств исходных металлов. 7) Уже приведенные в основном тексте примеры показывают, что действующие в металлах силы стяжения должны иметь сложную природу. По всей вероятиоатн, суммарно выражающая зтн силы так называемая металлически я связь сводится в основном я одновременному наличию обычных ковалеитиых связей (между нейтральными атомами) и кулоновского притяжения (между ионами н свободнымн электро. нами).
Относительное значение каждоА из этих составляющих и определяет характер проявления «металлических» свойств в твердом и жидком металле. Напротив, пары П2 7!!. Основные представления о внутреннем строении вещества металлов состоят из отдельных молекул (обычна одноатомных) и ведут себя аналогично прочим газообразным веществам. Металлическая связь характерна, следовательно, только для твердого и жидкого состояний: оиа является свойством не отдельных частиц, а их агрегата. 6) По представлениям квактовой теории, взаимодействие сближающихся атомов при образовании металлического агрегата ведет к расщеплению энергетических уровкей, отвечающих отдельным валентиым электронам атома, иа ряд подуровней, характеризующихся несколько различиымн энергиями (рис.
П!-64). Число таких подуровней для каждого атома определяется числом его соседей. Однотипные расщепленные уронги образуют в совокупности более или менее широние энергетические з о и ы, слагающиеся из множества дозволенных квантовыми условиями подуровней. Свободные электроны металла распределяются по зонам и их подуровням, начиная с самых низких, причем каждый подуровень может быть занят ие более чем двумя электронами (с противоположными направлениями спина). алЮ»г ПооВод»и» ПолулрВад»ии Юплялгод Рне. !11.аэ, Схеме рвеволеженвя зон в различных веществах. Рве. 111 Ве.
Схем» расщепления »нергетнчесвего уровня. Согласно этой зонноб теории. для металлов характерно, что число подуровней внешней зоны б о л ь ш е числа заполняющих ее электронных пар (и отдсльных— «холостых» — электронов), т. е. в пределах самой этой «валеитной» зоны имеются дополнительные воэможности размещекия электронов. Так как отдельные подуровни од.
ной н той же зоны энергетически очень близки друг к другу, перераспределение электронов металла по соседним подуровням осуществляется легко, с чем и связаны особенности металлического состояния. Как видно из рис. П!-64, при расщеплении атомного энергетического уровня появляются подуровни с энергиями ие только меньшими, ио и большими исходной. Вырывание электрона с самого верхнего заполненного подуровня валентной зоны должно, следовательно, происходить легче, чем с исходного атомного уровня.
Этим и обуслов. лена сущсствснкое уменьшение работы выхода электрона из металла по сравнению с ионизацией отдельного атома того же элемента. Например, ионизация атома Ап тре. бует затраты 7,6 зв, а работа выхода элентронв из металлического серебра составляет 4,7 зв. В отличие от металлов, в неметаллических структурах электронами заполнены в се вазможныс подуровни валентной зоны. Изменение состояния какого-либо электрона могло бы поэтому произойти только путем перевода его в следующую возможную зону («зону проводимости»), Так как таиой перевод обычно требует очень большой затраты энергии (например, около 6 эв для алмаза), он не происходит, что внешне выражается отсутствием у неметаллических структур хорошей электропровод- ности и других особенностей, характерных д.чя металлов.
9) Промежуточное положение между металлами и непрояодниками электрического тона (изоляторами) занимают полупроводники (рис. Ш-66). Электронамн у ннх заполнены все подуровни валентиой зоны, но «запрещенная зона» (Е) настолько узка, что перевод части электронов в зону проводимости требует сравнительно небольшой затраты энергии (например, для кремияя — 1,1О зв, а лля германия — 0.76 зв). Следа. вательно, само па себе вещество является непроводником, но более нли менее легко превращается в проводник под влиянием некоторых внешних воздействий (усиления электрического поля, нагревания, освещения).
По устранении таких воздействий элок. троны возвращаютсн на низший энергетический уровень и вещество вновь стаиовитсн непроводником. Р 6. Структура твердых тел 113 Рнс. 1!1.аа. Сх«н» »о»никео»«вее тнепад»зной пра»од»ности. Рв«. !11.ат. Р«сиэ«деле«и« «тано» а жидкой Рттгн. Электропроводность полупроводников обладает интересиоА особенностью. Каждый покидающий валентную зону электрон оставляет «дырку» в одном из ее подуровней. Под деАствием внешнего электрического паля место этой «дырки> занимает соседний электрон, тем самым оставляя «дырку» на своем прежнем месте. В результате дальнейших повторений такого процесса получается, что «дырха» движется от плюса к минусу, т.
е. так, как если бы ока несла положительный заряд. Это позволяет говорить о двух видах проводимости в полупроводниках — э л е к т р о и н о й (обусловленной движением ьтектронав, перешедших в ранее свободную зону проводимости) н «дыр очи ой» (происходящей эа счет освобождения мест в исходной валеитиой зоне). Для отдельных полупроводников более ха. с рактерна та нли другая из них. Например, — » + для германия более харахтериа электрон- г,,' °, .",, .1; ...
' .,/1 ная (п-тнп), а для сел«на — дырочная (р-тип) проводимость. ! 0) Наличие примесей обычно затр удияег проявление полупроводниковых свойств (иэ-эа заполнения ряда нижних подуровней эоны проводимости электроиаме примесных элементов). Поэтому полупроводники почти всегда подвергают самой тщательной очистке. Однако затем нх часто вновь «загрязняют» ничтожными количествами оп р од елен н ы х примесей, оризиосимые которыми дополнительные подуровни рас.
полагаются между валентной зоной и запой проводимости самого полупроводникового вещества. Подбирают этн примеси таким образом, чтобы усилить либо электронную. либо дырочиую проводимость. Первое обычно достигается добавками веществ, сравни. тельно легко теряющих электроны, второе — сравнительно легко пх захватывающих. Например. замена атома 81 (4 внешних электрона) атомом Аз (6 внешних электронов) в кристалле кремния способствует усилению его электронной проводимости, а замена атомом В (3 внешних электрона) — усилению дырочиой проводимости. 11) При сочетаиик двух полупроводников разного типа — электронного (1 иа рис.
П1-66) и дырочного (П) — возянкает уннполяриая проводимость: система пропускает электрический так (т. е. поток электронов) в одном направлении и не пропускает его в обратном. Подача наяряжения (е) иа схеме рис. П1-66 слева сближает электроны с дырками в пограничном слое. что создает возможность беспрепятственного перемещения потока электронов слева направо, тогда ! как подача напряжения справа разводит электроны и лырки, создавая тем самым «запнрающиА» пограииюгый слой, и ток справа налево ие идет (то же самое имеет место н при замене г г г е у р т р р 41 р Л электронного полупроводника металлом), явление у ииполярной проводимости широко используется в электротехнике.
12) Изложенное в основном тексте по вопро- су о внутренней структуре жидкостей может быть иллюстрировано экспериментальными данными для ртути (рис. П1-67). Если бы в жидкой ртути все атомы располагались строго закономерно (как в твердом теле), кривая вероятности нахождения какого-либо атома иа том илн ином расстоянии от исходного (расположенного в начале координат) должна была бы иметь ряд резко выраженных максимумов и минимумов. Напротив, если бы в расположении атомов господствовал характерныА для газов полиыА беспорядок, то на всех расстояниях, превышающих предел возможпога сближения атомов друг с прутом, вероятность нахождения должна была бы быть од и на козой (что иа рис. !П-67 соответствует пунктирной линии). Как видно из рисунка, полученная прн помощи рентгеновских лучей экспериментальная кривая отражает некоторое промеж у точное состояние: хотя тот или кной атом и может находиться иа любом превышающем примерно 2,6Л расстоянии от исходного, однако вероятность его нахождения на некоторых 114 (АС Основные представления о внутреннем строении веизесгва определенных расстояниях (приблизительно 3; 6 н О,ЬА) является наибольшей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
