Большая техническая энциклопедия
2 4 7
D L N
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ЭВ ЭК ЭЛ ЭМ ЭН ЭО ЭП ЭР ЭС ЭТ ЭУ ЭФ ЭХ ЭШ

Электрон - проводимость - металл

 
Электроны проводимости металла, совершая беспорядочное тепловое движение, могут вылетать за пределы металлического тела. Поэтому у поверхности металла существует электронное облако, постоянно обменивающееся электронами с металлом, так что электроны облака и металла находятся в динамическом равновесии между собой. Заметная концентрация электронов в облаке наблюдается лини, на расстояниях от поверхности металла порядка нескольких межатомных расстояний. На поверхности металла имеется избыток положительных зарядов ионов. Эти заряды и электронное облако образуют гонкий двойной электрический слой, электрическое поло которого препятствует вылету электронов из металла.
Электроны проводимости металла, совершая беспорядочное тепловое движение, могут вылетать за пределы металлического тела. Поэтому у поверхности металла существует электронное облако, постоянно обменивающееся электронами с металлом, так что электроны облака и металла находятся в динамическом равновесии между собой. Заметная концентрация электронов в облаке наблюдается лишь на расстояниях от поверхности металла порядка нескольких межатомных расстояний. На поверхности металла имеется избыток положительных зарядов ионов. Эти заряды и электронное облако образуют тонкий двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует вылету электронов из металла.
Удельное сопротивление.| Зависимость удельного.| Зависимость критической плотности тока от. индукции магнитного поля при 4 2 К. Электроны проводимости металла объединяются в пары благодаря электрон-фононному взаимодействию, вследствие чего сверхпроводимость оказывается чувствительной к свойствам кристаллической решетки.
Почему электроны проводимости металла удерживаются внутри него.
Движение электронов проводимости металлов очень чувствительно к тому, каково состояние кристаллической решетки. Настолько, что длина свободного пробега электронов служит критерием качества кристалла. Чем их отношение больше, тем кристалл чище. Удается получить образцы металлов, у которых это отношение достигает сотен тысяч.
В отсутствие электрического поля электроны проводимости металла движутся хаотически. Значения энергий хаотически движущихся электронов подчиняются распределению Ферми и могут достигать 5 - 10 эВ, что соответствует средней скорости движения электронов примерно 108 см / с. На своем пути электроны испытывают многочисленные взаимодействия с электронами, фонолами и дефектами решетки. Электрон-электронные столкновения играют незначительную роль. Столкновения электронов с фононами и дефектами определяют электрическое сопротивление металла.
Первые три. зоны электронов. По современным представлениям, электроны проводимости металла нельзя рассматривать как свободные. Их движение в кристалле модулировано периодическим силовым полем решетки. Непрерывный энергетический спектр свободных электронов в - пространстве распадается на зоны разрешенных энергий - зоны Бриллюэна, разделенные интервалами энергий, запрещенными для электронов. В трехмерном / г-пространстве они имеют вид многогранников, форма которых определяется симметрией кристаллических решеток, а ры - параметрами решетки. Для гранецентрированной решетки первая зона Бриллюэна представляет собой октаэдр, а объемно-центрированной решетки - кубический додекаэдр.
Форма и расположение электронных облаков при р3 - ( а и 8рг - ги5 - ридиаациях ( б. Эффект обусловлен квантованием энергии электронов проводимости металла в магн.
В фотоэлектрическом эффекте фотон поглощается электроном проводимости металла и отдает ему всю свою энергию.
Рассмотрим взаимодействие возбужденного атома водорода с электронами проводимости металла. Допустим, что возбужденный атом водорода со скоростью VQ пролетает параллельно плоской поверхности металла на расстоянии / о от этой плоскости. Пусть d есть дипольный момент для P-S - перехода при продольной поляризации 2Р - атома.
Как, согласно квантовой теории, распределены электроны проводимости металлов по энергиям при Т О К. Как изменяется это распределение при повышении температуры.
Поскольку полоса проводимости принадлежит ко всей совокупности электронов проводимости металла, маловероятно, чтобы подобные сильные изменения теплот хемосорбции вызывались переходом электронов на разрешенные уровни или уходом с заполненных уровней в процессе их освобождения или захвата при образовании химических связей на поверхности металла. Именно по этой причине Темкиным [276] было введено представление о поверхностном электронном газе. Он предполагает, что у поверхности металла существует двумерный электронный газ, который ведет себя совершенно независимо от нормального трехмерного электронного газа.

Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент электронов проводимости металла равен нулю. При наложении внешнего магнитного поля картина изменяется. Электрон, спиновый магнитный момент которого параллелен внешнему магнитному полю, будет обладать меньшей потенциальной энергией, чем электрон с противоположно направленным спиновым магнитным моментом. Таким образом, первый электрон будет находиться в энергетически более выгодном ( устойчивом) состоянии, чем второй.
Сравнение формулы Дебая с опытными данными для Ag ( /, алмаза ( 2, NaCl ( 3 и CaF2 ( 4. Когда совокупность атомов образует металл, валентные электроны становятся электронами проводимости металла ( см. гл. Если в случае одноатомных диэлектриков при Т QD полная теплоемкость равна 3, то для металлов надо ожидать величины 9 / 2 R.
Работой выхода электрона из металла называют наименьшую энергию, которую нужно сообщить электрону проводимости металла, для того чтобы он мог выйти из металла в вакуум.
Работой выхода электронов из металла называют наименьшую энергию, которую нужно сообщить электрону проводимости металла, для того чтобы он мог выйти из металла в вакуум.
Схема объяснения электрической индукции в электронной теории, ф - положительные ионы металла, - электроны проводимости. а - металл в незаряженном состоянии, б-металл в присутствии влияющего тела. В явлении электрической индукции приближение влияющего тела вызывает появление сил, действующих на электроны проводимости металла, отчего они перемещаются и перераспределяются, пока не будет достигнуто новое положение равновесия.
Атомы первого состояния водорода расположены на внешней поверхности металла и для образования связи используют электроны проводимости металла. Атомы второго состояния утоплены ниже электронной плоскости металла и диссоциированы на протоны и электроны.
Попытаемся теперь более точно описать эффект Соколова как результат взаимодействия возбужденного атома водорода с электронами проводимости металла, предполагая, что электроны находятся в состоянии квантового хаоса. Поскольку рассматриваемый эффект представляет собой результат довольно сложного механизма взаимодействия очень многих частиц, при описании кинетики электронов проводимости будет принята простейшая газовая модель.
В этой работе каталитическая активность металла связывается со способностью электронного газа ( другими словами, электронов проводимости металла) экранировать кулоновское взаимодействие между электроном и протоном в атоме водорода. Установлено, что степень экранирования зависит, в конечном счете, от плотности состояний на границе Ферми и радиуса поверхности Ферми.
Схема объяснения электрической индукции в электронной теории. В рамках электронной теории это объясняется тем, что приближение влияющего тела вызывает появление сил, действующих на электроны проводимости металла, отчего они перемещаются и перераспределяются, пока не будет достигнуто новое положение равновесия.
В металлах, обладающих высокой электропроводностью, это условие достаточно хорошо удовлетворяется: электрическое поле, создаваемое уходящим электроном, успевает компенсироваться перемещением электронов проводимости металла. Иные условия возникают в полупроводнике с малой концентрацией свободных зарядов. Здесь необходимо внимательно рассмотреть механизм удаления электрона из состава тела.
В металлах, обладающих высокой электропроводностью, это условно достаточно хорошо удовлетворяется: электрическое поле, создаваемое уходящим электроном, успевает компенсироваться перемещением электронов проводимости металла, не изменяя существенно распределения остальных электронов. Иные условия возникают в полупроводнике с малой концентрацией свободных зарядов. Здесь необходимо внимательно рассмотреть механизм удаления электрона из состава тела.
К выводу формулы для удельного сопротивления металлического проводника.
Впоследствии электроинерционные явления изучались в различных вариантах, причем на основе опытов было вычислено отношение заряда электрона е к его массе т для электронов проводимости металлов: оно оказалось одинаковым для разных металлов и притом совпадающим со значением е / т, полученным ранее при изучении электронов в катодных лучах.
Начальный участок кривой о / (. / в слу. Замещение пустых мест в этих оболочках электронами более далеких от ядра оболочек приводит к излучению внутри металла рентгеновых лучей, способных в свою очередь передать свой квант энергии электронам проводимости металла и заставить их частично вылетать из металла. Горбики, соответствующие этим электронам, можно найти в кривых распределения скоростей вторичных электронов. Однако выбивание электронов из внутренних электронных оболочек атомов металла играет при вторичной эмиссии лишь второстепенную роль. Вторичная электронная эмиссия из металлов осуществляется в основном путем выхода из металла электронов проводимости благодаря добавочной энергии, полученной ими непосредственно от первичных электронов.
Это обстоятельство также объясняется тем, что первичные электроны проникают в металл довольно глубоко, пока они не растратят весь избыточный запас энергии, по сравнению со средней энергией электронов проводимости металла. Как показывает схематический рисунок 80, чем больше угол падения первичного электрона, тем ближе к поверхности находится конец А2 пути, пробегаемого электроном в металле до полной потери избыточной энергии. Электроны металла, которым первичный электрон передает при взаимодействии с ними свою энергию, получают ее при нормальном падении первичных электронов в среднем на большем расстоянии от поверхности О А, чем при косом падении ВАц. Поэтому при нормальном падении первичных электронов вторичные электроны встречают больше препятствий при выходе из металла. Количество электронов, выходящих из металла, увеличивается по мере увеличения угла падения ос первичных электронов.
Большинство квазичастиц, подчиняющихся фермиевской статистике, связано с переносом заряда. Электроны и дырки полупроводников, электроны проводимости металлов, нормальные электроны в сверхпроводнике, поляроны и флуктуоны - вот короткий, но довольно полный перечень квазичастиц-фермионов. Во всех перечисленных случаях квазичастица имеет элементарный электронный заряд е, и в этом смысле ква-зичастицы-фермионы ближе к реальным частицам, чем квазичастицы-бозоны.
Несмотря на большие усилия, затраченные многими исследователями на изучение сверхпроводимости, ее физическая природа была понята лишь в 1957 г. с созданием Бардиным, Купером и Шриффером микроскопической теории этого явления, получившей впоследствии название БКД1 теории. В основе ее лежит представление, что между электронами проводимости металла могут действовать силы притяжения, возникающие вследствие поляризации ими кристаллической решетки.
Схема газовых ( СО2 лазеров. Излучение лазера, сфокусированное специальными оптическими устройствами, может выделять на поверхности металла большое количество теплоты. Часть этой теплоты в виде квантов света поглощается электронами проводимости металла. Они передают свою энергию кристаллическим решеткам. Нагрев последующих слоев осуществляется вследствие теплопроводности.
Электрическое поле равномерно заряженной плоскости.| Электрическое поле у поверхности заряженного проводника. Далее очевидно, что в этом случае напряженность поля внутри проводника всегда равна нулю. Действительно, если бы это было не так, то электроны проводимости металла пришли бы в движение, т.е. в проводнике возник бы электрический ток, что противоречит условию.
Энергетический спектр металла ( а и изолятора ( б. Число таких электронов, вначале незначительное, быстро увеличивается с ростом температуры. Эти электроны в зоне проводимости ведут себя так же, как и электроны проводимости металлов. Они обеспечивают металлическую электропроводность ( но менее значительную из за малого общего числа таких электронов); они же, очевидно, должны приводить и к появлению в веществе типично металлической связи, но уже как дополнительной к основной связи, которая у полупроводников ковалент-ная. Таким образом, при очень низких температурах в полупроводниках химическая связь почти целиком ко-валентная, а с повышением температуры к этой связи все более примешивается металлическая связь.
Из этого важного экспериментального факта следует, что механизм возникновения электронов проводимости в полупроводниках резко отличен от механизма возникновения тех же электронов в металлах. Как при абсолютном нуле температуры, так и при температуре плавления концентрация электронов проводимости металла неизменна. Это означает, что на их образование тепловое движение не оказывает никакого влияния.
Ха - атомная восприимчивость; атомы, например, элементарных полупроводников ( Ge, Si, oc - Sn) не имеют постоянного магнитного момента как в свободном состоянии, так и в кристаллической решетке, поэтому идеальный кристалл такого типа при Т - О диамагнитен. Восприимчивость XL обусловлена электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне и по своему характеру аналогична магнитной восприимчивости электронов проводимости металлов.
Зурманом [62-65] были разработаны методы измерения электропроводности тонких металлических пленок во время хемосорбции ряда простых адсорбатов, в том числе воды. Электропроводность металлической пленки будет изменять - ся во время акта хемосорбции или десорбции, если электроны молекул адсорбата принимают участие в электронной проводимости самого металла или электроны проводимости металла входят в состав электронных оболочек молекул адсорбата.

До настоящего времени строение углеродистого вещества нефтяного происхождения - нефтяных коксов - объясняется с позиций графито-кристаллитного строения. Данные по исследованию образцов коксов различной структуры методом ЭПР ( игольчатый кокс Красноводского НПЗ, пиролизный КНПС-ЗК и рядовой Ново-Уфимского НПЗ L 2 J), прокаленных до высоких температур, показывают что выше 1ЭОО С в образцах этжх коксов наблюдается Дайсоновская линия поглощения, характерная для электронов проводимости металлов и чистых графитов.
Однако не все электроны зоны проводимости металла способны объединяться в куперовские пары, а только те из них, которые могут возбуждаться и изменять свои состояния. Таковыми являются лишь фермиевские электроны, ответственные за электропроводность металлов. Они составляют примерно 10 - 4 от общего числа электронов проводимости металла.
Поскольку нас будут интересовать как длинноволновые, и коротковолновые возбуждения диэлектрика, их рассмотрений будем вести в рамках микротеории. Такой подход оправдан, так как среднее стояние между электронами проводимости металла ( 1 А) мног.
До настоящего времени строение углеродистого вещества нефтяного происхождения - нефтяных коксов - объясняется с позиций графито-кристаллитного строения. Данные по исследованию образцов коксов различной структуры методом ЭПР ( игольчатый кокс Красноводского НПЗ, пиролизный КШС-ЗК и рядовой Ново-Уфимского НПЗ L 2 J), прокаленных до высоких температур, показывают. С в образцах этих коксов наблюдается Дайсоновская линия поглощения, характерная для электронов проводимости металлов и чистых графитов.
Из рис. 69 видно, что средняя энергия электронов проводимости в полупроводнике больше, чем в металле, на величину не меньшую, чем Ес-F. Чтобы электроны из металла могли перейти в полупроводник, они должны преодолеть потенциальный барьер высотой по крайней мере EC-F; для этого они должны получить энергию от решетки, что приводит к охлаждению металла в области контакта. Если изменить направление тока, то теперь электроны, переходя из полупроводника в металл, будут иметь избыток энергии по сравнению с электронами проводимости металла. Приходя в равновесие с ними, электроны, прошедшие через контакт, отдадут избыток энергии ( не менее Ес-F) решетке, что и приведет к выделению тепла на контакте.
Коэффициент вторичной эмиссии 8 зависит от того угла, под которым первичные электроны попадают на поверхность металла. Чем больше этот угол а, отсчитываемый от нормали к поверхности, тем больше и коэффициент о вплоть до угла в 70, на котором обрываются имеющиеся в литературе экспериментальные данные. Это обстоятельство также объясняется тем, что первичные электроны проникают в металл довольно глубоко, пока они не растратят весь избыточный запас энергии, по сравнению со средней энергией электронов проводимости металла.
Что касается механизма вторичной эмиссии под действием положительных ионов, то он должен существенно отличаться от механизма вторичной электронной эмиссии под действием электронов. Проникновения медленных положительных ионов внутрь металла не происходит. Имеющиеся данные о распределении скоростей электронов, эмиттируемых различными металлами при бомбардировке их положительными ионами калия, позволяют вывести заключение, что выход электронов из металла обусловливается передачей положительными ионами их кинетической энергии кристаллической решетке металла с последующей передачей этой энергии в немногих наиболее благоприятных случаях одному из электронов проводимости металла.
Она вначале была создана для объяснения свойств легкого изотопа гелия ( 3Не) в области температур 0 01 - - 0 1 К. В миллиградусном диапазоне 3Не переходит в сверхтекучее состояние, и его свойства не могут быть описаны теорией ферми-жидкости Ландау. Потом теория ферми-жидкости была приспособлена для описания электронов проводимости металла. Ферми-жидкостные эффекты в полуметаллах и полупроводниках очень малы.
Адсорбция на поверхности металлов под влиянием неполярных сил Ван-дер - Ваальса требует специального рассмотрения. В литературе имеется много попыток трактовать металл как вещество, обладающее идеальной поляризуемостью. Однако, как указывают Маргенау и Поллард [28], использование представления о так называемом изображении встречает серьезные возражения. Индуцирующие поля диполей в неполярной молекуле изменяются непрерывно и настолько быстро, что электроны проводимости металла не могут поспевать в своем перемещении за этими изменениями. Поэтому металл ведет себя по отношению к силам Ван-дер - Ваальса как диэлектрик.
Адсорбция на поверхности металлов под влиянием неполярных сил Ван-дер - Ваальса требует специального рассмотрения. В литературе имеется много попыток трактовать металл как вещество, обладающее идеальной поляризуемостью. Однако, как указывают Маргенау и Полла рд [28], использование представления о так называемом изображении встречает серьезные возражения. Индуцирующие поля диполей в неполярной молекуле изменяются непрерывно и настолько быстро, что электроны проводимости металла не могут поспевать в своем перемещении за этими изменениями. Поэтому металл ведет себя по отношению к силам Ван-дер - Ваальса как диэлектрик.
Более серьезное замечание было сделано Бударом [265] при обсуждении вопроса о постоянстве теплоты растворения газов в металлах. Основываясь на том, что теплота растворения водорода в металле не уменьшается с увеличением концентрации водорода, Будар сделал заключение, что аналогичная закономерность может иметь место и в случае поверхности. Теплота растворения водорода в р-титане [269] при концентрациях, меньших 10 атомн. Это увеличение теплоты растворения обусловлено расширением решетки. В данном примере имеет также место обмен с электронами проводимости металла. Поэтому, если при растворении не происходит изменения теплоты процесса с увеличением концентрации, то можно ожидать, что оно не будет наблюдаться и при обмене электронами между хемосорбирован-ными атомами и поверхностным слоем электронов.
Более серьезное замечание было сделано Бударом [265] при обсуждении вопроса о постоянстве теплоты растворения газов в металлах. Основываясь на том, что теплота растворения водорода в металле не уменьшается с увеличением концентрации водорода, Будар сделал заключение, что аналогичная закономерность может иметь место и в случае поверхности. Теплота растворения водорода в 3-титане [269] при концентрациях, меньших 10 атомн. Это увеличение теплоты растворения обусловлено расширением решетки. В данном примере имеет также место обмен с электронами проводимости металла. Поэтому, если при растворении не происходит изменения теплоты процесса с увеличением концентрации, то можно ожидать, что оно не будет наблюдаться и при обмене электронами между хемосорбирован-ными атомами и поверхностным слоем электронов.
Хорошо известно, что для перевода электрона из твердого тела в вакуум необходимо затратить определенную энергию. Примем за начало отсчета энергию электрона, находящегося в вакууме вдали от данного тела и покоящегося относительно него. В таком случае полная энергия электронов, покоящихся в твердом теле, отрицательна. Электрон, находящийся на дне зоны проводимости, имеет нулевую кинетическую энергию, его полная энергия, с точки зрения классической физики, является потенциальной энергией. Величина W равна работе, необходимой для перевода покоящегося в твердом теле электрона в вакуум без сообщения ему кинетической энергии, W называется истинной работой выхода, она определяет глубину потенциальной ямы, которая соответствует электронам проводимости металла. Уровни энергии, лежащие выше Ес, практически полностью заняты вплоть до уровня Ферми. Электроны, имеющие полную отрицательную энергию, не могут выйти из металла. Но среди электронов есть и такие, которые имеют положительную полную энергию; они способны выйти из металла. Вычислим поток электронов из металла в вакуум за счет их тепловой энергии.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11