ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.07.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
Ковалентные |
связи принадлежат |
к наиболее |
проч |
ным связям. Они |
возникают в случае, |
если пара |
атомов |
коллективизирует свои электроны. Примером такого ти
па связей служит |
уже упоминавшийся |
алмаз . В |
а л м а з е |
|||||
к а ж д ы й атом углерода |
имеет четырех соседей. |
К а ж |
||||||
дая связь объединяет пару соседей. Атом углерода |
в |
|||||||
алмазе содержит |
во внешней |
незаполненной |
оболочке |
|||||
по '1 электрона. |
Поскольку |
каждый |
атом имеет |
по |
4 |
|||
электрона и |
по 2 |
связи, |
то на |
к а ж д у ю связь приходится |
||||
2 валентных |
электрона. |
При |
этом возникает |
насыщен |
||||
ная электронная связь. Отсюда и феноменальная твер дость алмаза .
Металлическая связь, напротив, характеризуется большой электронной недостаточностью. В натрии, на пример, на одну связь приходится только 'Д электрона. Поэтому валентные электроны в металле коллективи
зированы. Они способны свободно |
перемещаться |
от |
||||
атома к атому из одной области кристаллической |
решет |
|||||
ки в другую, подобно своеобразному |
газу |
свободных |
||||
частиц. Это, в частности, объясняет высокую |
электропро |
|||||
водность металлов. Покинув свои атомы, электроны |
пре |
|||||
в р а щ а ю т структуру металла |
в остов |
из положительно |
||||
заряженных |
ионов. Электростатическое притяжение |
ме |
||||
ж д у ионами |
и электронным |
газом перевешивает |
взаим |
|||
ное отталкивание как электронов, так и ионов, и удер
живает весь ансамбль в твердом |
состоянии. |
||||||
Тем |
не |
менее |
твердость |
такого |
ансамбля относи |
||
тельна. |
Металлы, |
как правило, |
намного |
пластичнее и |
|||
мягче, |
чем |
тела |
с ионной |
и особенно с |
ковалентиой |
||
связью. |
|
|
|
|
|
|
|
В заключение |
разбора основных |
типов |
связей отме |
||||
тим, что ни один из указанных типов не бывает в при
роде в |
чистом |
виде. Например, |
силы |
Ван - дер-Ваальса |
|
присутствуют |
в каждом типе связей, но удельный вес |
||||
их чаще |
всего |
бывает мал. Очень часто |
происходит |
на |
|
ложение |
ионного, ковалентного |
и металлического |
вза |
||
имодействия. |
Например, ионная |
связь |
может д а в а т ь |
||
существенный вклад в ковалентную связь, если элек троны проводят большую часть времени ближе к одно му атому, чем к другому. Отметим также, что помимо перечисленных основных типов связей существует ряд
других |
специфических |
типов связей, на |
которых |
мы |
здесь |
останавливаться |
не будем, но будем |
помнить, |
что |
многообразие окружающего нас мира неорганических веществ во многом обязано разнообразию типов меж атомных связей, существующих в них.
|
§ 6. Свободные электроны в металлах |
|
|||||
Тепловая |
энергия может возбудить в |
металле лишь те |
|||||
электроны, |
которые |
находятся |
непосредственно |
вблизи |
|||
границы |
занятых уровней или |
уровней |
Ферми. |
В связи |
|||
с этим |
свободные |
электроны |
поглощают |
лишь |
прене |
||
брежимо малое количество тепла. Поэтому |
электронный |
||||||
газ практически не дает вклада |
в теплоемкость |
металла |
|||||
в обычных условиях. Только в |
области |
очень |
низких |
||||
температур заметен вклад электронов в теплоемкость. Если к металлу приложено электрическое поле, то элект
ронный |
газ приходит в движение в одну |
сторону. Возникнет |
||||
электрический |
ток, |
который определяется как произведение |
||||
величины заряда на число частиц и на |
скорость их движе |
|||||
ния (/' = |
eNv). |
Ток |
по |
мере ускорения |
частиц будет |
возра |
стать, но ограничение наступает в силу |
малости свободного |
|||||
пробега |
электронов. |
Торможение электронов происходит на |
||||
атомах |
и на |
других электронах. При |
столкновениях |
элек |
||
трон передает |
избыток |
своей энергии |
атомам или |
другим |
||
частицам, а сам снова набирает ускорение. Таким образом,
электрический |
ток через |
металл |
определяется |
некоторой |
||||||||||
средней |
скоростью |
электронов, |
которую |
удается |
раз |
|||||||||
вить |
электронам при |
данных |
температурных |
и других |
ус |
|||||||||
ловиях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Средняя скорость электронов может возрасти при |
||||||||||||||
увеличении |
напряженности |
приложенного |
|
электриче |
||||||||||
ского |
поля. Многое |
т а к ж е зависит от природы |
и |
состоя |
||||||||||
ния |
структуры, в которой |
двигаются |
электроны, |
что |
||||||||||
вместе |
с |
температурой |
определяет |
сопротивление |
их |
|||||||||
движению. |
Согласно закона Ома, |
чем |
больше |
сопро |
||||||||||
тивление, |
тем более |
высокое напряжение |
требуется |
при |
||||||||||
ложить, чтобы получить электрический ток той или иной величины.
Скорость передачи энергии отэлектронов к атомам растет с увеличением скоростей электронов, т. е. с рос том приложенного напряжения и тока. В результате пе редачи энергии от электронов к решетке температура металла повышается.
Таким образом, электроны, быстро и беспорядочно снующие между атомами в металле, после приложения к ним электрической силы начинают движение в одну
сторону. |
На фоне беспорядочного движения |
со |
ско |
|||||
ростями |
~ |
108 |
см/сек |
этот |
дрейф |
электронного |
газа |
ед |
ва заметен, |
но |
всё ж е |
он |
имеет |
определенную |
скорость |
||
10—100 см/сек. |
Дополнительный |
дрейф электронов |
по |
|||||
чти не изменяет частоту их столкновений с атомами. По-
прежнему |
электроны |
сталкиваются |
и отскакивают от |
|
атомов, теряя энергию. В среднем |
энергия |
электронов |
||
остается |
неизменной, |
поскольку подсистема |
электронов |
|
и ионный |
остов решетки находятся |
в состоянии тепло |
||
вого равновесия.
Д р е й ф электронов приводит все же к передаче до полнительной энергии атомам, поскольку он является отклонением от состояния равновесия (здесь опять про явится принцип Ле - Шателье, поскольку нагрев решетки затруднит дрейф электронов). Этот дрейф может пере дать т а к ж е некоторую энергию па структурные несовер шенства кристаллической решетки, например, иа дис локации (о которых будет речь дальше) и вызвать тем самым изменение структурно-чувствительных свойств материала .
Г-'. |
|
|
§ 7. Движение |
атомов |
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
Как уже |
указывалось |
выше, |
атомы в твердом теле |
||||
находятся в непрестанном движении. Большей |
частью |
|||||||
они |
колеблются |
в положении |
равновесия. |
При |
нагре |
|||
вании кристалла |
интенсивность |
колебательного |
движе |
|||||
ния |
атомов |
возрастает, |
и кристаллическая |
структура |
||||
может разрушаться, что проявится в том, |
что |
твердое |
||||||
тело превратится в жидкость или газ. |
|
|
||||||
|
Рассмотрим |
более тонкие |
случаи, когда |
кристалли |
||||
ческая решетка не разрушается, а отдельные атомы на чинают перемещаться, уходя из своего положения рав новесия. Причиной выхода атома из своей «квартиры» могут послужить хаотические тепловые колебания, в процессе которых он может получить добавочную энер гию, заставляющую его начинать движение.
Упорядоченное движение атомов в кристаллической решетке может возникнуть под влиянием инфракрасно го излучения. Частота инфракрасного света определен-
ных длин волн соответствует частоте колебаний узлов кристаллической решетки, поэтому с помощью таких
электромагнитных |
волн можно |
раскачать, |
|
например, |
противоположно заряженные ионы в ионных |
кристал |
|||
лах. Д л я каждого вещества существует свое |
определен |
|||
ное значение частоты падающего |
инфракрасного излу |
|||
чения, при котором |
происходит максимальная |
раскачка |
||
ионного остова. Эта частота зависит, в основном, от
массы ионов и |
величины |
силы |
связей |
в остове. |
Естест |
венно здесь вспомнить механическую модель |
твердого |
||||
тела — каждый |
ион твердого |
остова |
выступает |
в этом |
|
случае как гармонический осциллятор. |
|
||||
При этом амплитуда колебаний осцилляторов не во |
|||||
зрастает неограниченно, |
а останавливается иа |
некото |
|||
ром уровне (повышенном против обычного в отсутствии излучения), поскольку атомные осцилляторы в твердом теле связаны между собой. Начавшееся было упорядо ченное раскачивание атомов при длительном действии излучения переходит в неупорядоченное хаотическое колебательное движение, когда кристалл начинает на греваться. Очевидно, наибольшее инфракрасное погло щение света соответствует частоте наиболее быстрых
колебаний атомных |
осцилляторов. |
|
|
Приведенный пример, |
упорядоченного движения ато |
||
мов, возбужденного |
внешней электромагнитной |
силой, |
|
не распространяется |
на |
далекие перемещения |
атомов. |
Как и прежде, атомы колеблются около своих положе
ний равновесия, только с |
большей амплитудой. Правда, |
||||||
гипотетически |
можно |
себе |
представить случай, |
что |
|||
электромагнитные волны так сильно раскачают |
атомы, |
||||||
что они выйдут из своих положений |
равновесия |
и |
нач |
||||
нут дрейф по решетке. Однако для этого надо |
преодо |
||||||
леть одну трудность — пока |
электромагнитные |
волны |
|||||
раскачивают- |
атомы, |
они |
не |
должны |
передавать |
|
избы |
ток своей энергии в фонд помощи соседям. Эта труд ность, как правило, остается непреодолимой, по крайней
мере, в |
нормальных |
участках |
кристаллической ре |
шетки. |
|
|
|
Атомы |
получают |
возможность |
двигаться по решет |
ке только тогда, когда в кристалле имеются дефекты, о которых речь пойдёт дальше . Особенно важную роль в этом процессе играют вакансии или пустые места в крис таллической решетке, а т а к ж е дислокации.
