А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Положительный и отрицятельный зярвлы взвимна «омпснсируют друг друге и поэтому в целом нейтрал электрически нейтрален О Не существует заряда, неньше зленентарного Каков снысл представления о распределении юряда в протоне, если ега полный заряд равен зленента риалу> С какой основной трудностью связана представление об электроне как о точа>ной частице> Кокни нскусствен. нын прненон эта труды>сть преодолеваетсяу 20 1 Заряды, поля, силы рням. Поэтому спиновый магнитный момент частиц ве может быть описан в классической теории электричества и магнетизма. Однако магнитное поле, обусловленное спиновыми магнитными моментами, может быть при необходимости описано феноменоло~ ичсски. Как правило, напряженность этого поля очень мала. Лишь в случае постоянных магнитов оно досгнгаег больших значений.
Классическая теория не в состоянии описать механизм возникновения этого поля, но само поле вне постоянных магнитов полностью описывается классической теорией (см. З 38). 5 2. Заряженные тела. Электризация Выясняется физическое содержание проивссов, приводящих к электризаиии тел при соприкосновении Сообщаются некоторые сведения об энергетическом спектре электронов в твердых телах. '~'ермоэлектронная работа выхода. Силы, удерживающие нейтральные атомы в молекуле и нейтральные молекулы в твердом теле, рассматриваются в молекулярной физике. Сам факт существования твердых тел свидетельствует о наличии сил, удерживающих электроны внутри твердого тела. Для извлечения из него электрона необходимо затратить определенную работу против сил, удерживающих электроны внутри твердого тела.
Представим себе, по твердое тело вместе с прилегающим к нему пространством заключено в адиабатическую оболочку и поддерживается при постоянной температуре Т. Вследствие теплового движения и распределения электронов по скоростям внутри тела найдутся электроны, кииетическач энергия которых достаточна для преодоления сил, удерживающих их внутри тели, и выхода за ега пределы. Благодаря этому у поверхности тела образуется «газ» из электронов. Электроны этого «газа» при своем движении приближаются к поверхности твердого тела н захватываются внутрь него.
Термодинамическое равновесие достигается тогда, когда число покидающих абьем тела электронов в среднем равно числу электронов, поступающих в об«ем вела из прилегающего и ега поверхности слоя электронного «газа». При этом концентрация электронов у поверхности тела имеет определенное значение пы Этот электронный газ не вырожден н его платт|ость может быть представлена в виде распределения Больцмана: (2А) пь —— А схр (" — Ф/(йТД, где А зависит только от температуры Т, Ф вЂ” термозлектронная работа выхода. По смыслу распределения Больцмана термозлектронная работа выхода представляет собой разность энергий электрона вне твердого з 2. Зараженные тела.
Электризация 21 тела и внутри него. Однако внутри твердого тела электроны имеют различные энергии, и о какой энергии идет речь прн определении Ф, становится ясно лишь из анализа энергетического спектра электронов. Э нергетический спектр электронов. Законы движения микрочастиц даются квантовой механикой, которая позволяет рассчитать спектр энергий электронов, если известен закон изменения их потенциальной энергии. Эти расчеты усложняются тем, что необходимо принимать во внимание также и взаимодействие электронов между собой. Точное решение такого рода задач не по силам даже современным ЭВМ и вряд ли когда-либо будет возможно в будущем. Но в этом и нет необходимости, потому что удается разработать методы приближенного решения задачи, вполне удовлетворяющие практические потребности, Важно констатировать, что спектр существует и является дискретным для электронов, заключенных в конечной области пространства.
Он определяет различные свойства тела,изучая которые экспериментально можно сделать заключение об его особенностях. Следовательно, энергетический спектр может быть изучен как теоретически, так и экспериментально. Энергетический спектр электронов в твердых телах исследован достаточно подробно н его основные особенности сводятся к следующему. В изолированном атоме энергетические уровни составляют дискретный набор энергий. На рис.
3 изображена идеальная схема уровней водородоподобного атома, В аналитическом виде энергия электрона на н-м уровне дается формулой А~я г где А — положительная величина, выражаемая через элементарный заряд, массы ядра и электрона и постоянную Планка. Наименьшей энергией электроны обладают на уровне н = 1. Расстояние между уровнями составляет несколько электрон-вольт, црнчем эти расстояния с увеличением н уменьшаются.
Поскольку электроны подчиняются статистике Ферми — Дирака, в каждом квантовом состоянии может находиться лишь один электрон. Квантовое состояние характеризуется не только энергией. В водородоподобном атоме опо характеризуется также моментом импульса электрона при орбитальном движении в атоме, его ориентировкой в пространстве и ориентировкой спина электрона. Эти последние характеристики также квантованы, т.
е. имеют дискретный набор числовых значений. В результате получается, что на каждом энергетическом уровне имеется не один электрон, а несколько. Как показывают расчеты, на уровне и = 1 могут находиться два электрона, отличающиеся ориентировкой спина 1возможны только две ориентировки спина). Момент импульса на этом уровне может быть равным только нулю. На следующем уровне н = 2 момент импульса электрона, кроме нулевого, 22 1. Зарзшы, поля, силы я-5 я 4 я 3 я 2 -10 -12 -13 -13,53 л 1 эВ Энергетический спектр атома иолоралл л' Схема образования зисргстнчс схнх зои ° У днзлактриков работа выходе зависит от чистоты составе и состояния поверкности. Гьри контакте тел происходит перекод злектроиов от тела с иеныией ро ботой выходе к телу с боливией работой выхода. может иметь также одно отличное от нуля значение.
При нулевом значении момента импульса не имеет смысла говорить о его ориентировке в пространстве. При отличном от нуля значении момента импульса можно говорить об его ориентировке в пространстве. При л = 2 имеем три возможные ориентировки. Таким образом, всего по абсолютному значению момента импульса и его ориентировкам в пространстве на уровне н = 2 имеется четыре квантовых состояния.
В каждом нз них спин электрона может быть ориентирован двумя способами и, следовательно, всего на энергетическом уровне л = 2 имеется восемь различных квантовых состояний. Это означает, что всего на этом уровне может быть восемь электронов. Оказывается, что на последующих уровнях могут находиться 18, 32, 50 и т. д. электронов. Так как устойчивому состоянию атома 1основное состояние) соответствует состояние с наименьшей энергией, то энергетические уровни должны заполняться начиная с уровня н = 1, а переход к заполнению следующего уровня происходит после того, как предшествующий уровень оказывается полностью заполненным электронами.
Совокупность электронов с определенным значением л называется оболочкой атома Оболочки принято обозначать буквами К, Х., М, Х и т. д. по следующей схеме: в 1 2 3 4 Название еавзвчви К 1. М М Например, вместо «электрон на уровне и = 2» говорят «электрон з оболочки» и т. д, Если а~омы составляют кристаллическую решетку твердого тела, то ситуация изменяется. Само существование кристаллической решетки свидетельствует о том, что между атомами имеется взаимодействие, которое и обусловливает возникновение решетки.
Следовательно, атомы уясе нельзя считать изолированными, надо всю кристаллическую решетку расслчатривать как единую систему и говорить аб энергетических уровнях этой системы. Оказывается, что энергетический Ь' 2. Заряженные тела. Электризация 23 спектр кристаллической решетки связан с энергетическим спектром изолированных атомов простым соотношением, а именно: в результате взаимодействия между атомами каждый из энергетических уровней п Е 2, ... расщепляется на большое число очень близко расположенных между собой подуровней, на которых в состоянии разместиться все электроны, находившиеся первоначально на соответствующем уровне изолированных атомов. Например,К-оболочку изолированного атома занимают два электрона.
Если атомы входят в кристаллическую решетку, состоящую из Хв атомов, то уровень п 1 расщепляе~ся на Кв подуровней, на каждом из которых может находиться по два электрона с различной ориентировкой спинов, т,е. всего в кристаллической решетке образуется 2гчв различных квантовых состояний, которые заняты 2%в электронами, ранее принадлежавшими К-оболочкам. Совокупность близко расположенных энергетических уровней, образовавшихся в результате расщепления некоторого энергетического уровня изолированного апюма, называется энергетической зоной или просто заной.
Говорят о К-зоне, 1 зоне и т.д. по их соответствию оболочкам К, Х, ... изолированных атомов. Схема образования зон изображена на рис. 4. Как было сказано, внутри зон расстояние между различными уровнями чрезвычайно мало. Расстояние же между различными зонами остается значительным, по порядку величины равным расстоянию между энергетическими уровнями изолированных атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
