Электроны в металлах

Электронная жидкость

Какие силы удерживают атомы в металле? В химических соединениях и в кристаллах, подобных хлористому натрию, атом металла отдает электрон атому другого вещества, который стремится его приобрести. Но куда могут переходить электроны, когда все атомы — это атомы металла?

Рассмотрим два атома натрия, находящихся на близком расстоянии друг от друга. При их сближении внешние, очень слабо связанные электроны каждого атома обнаруживают наличие другого атома и один электрон может даже «перескочить» с одного атома на другой. Тогда у одного атома оказываются два внешних электрона, а у другого — ни одного. Такая система отнюдь не устойчива, и один или даже оба электрона могут перескочить обратно к другому атому. В течение короткого промежутка времени, когда оба электрона находятся вблизи одного атома, его можно рассматривать как отрицательный ион натрия Na, который притягивает другой, положительный ион натрия Na+. Таким образом, между двумя атомами натрия может возникнуть слабая связь благодаря высокой подвижности их внешнего электрона.

Если к первым двум атомам натрия приблизить еще два, то уже четыре слабо связанных электрона будут «бродить» вокруг этих четырех атомов. Так как электроны отталкивают друг друга, они никогда не будут находиться у одного атома, в то время как остальные три атома будут лишены своих внешних электронов. Однако в течение коротких промежутков времени у одного атома могут быть два внешних электрона, он будет заряжен отрицательно и станет притягивать расположенные вблизи него ионы натрия, заряженные положительно. При добавлении других атомов к этой группе станет еще труднее установить, какому именно атому принадлежит определенный электрон. Может показаться, что в определенный период странствований электрон принадлежит какому-то одному атому (например, атому.

Электрон в своем движении редко приближается к центру атомов. Первоначально он находился на внешней орбите одного атома и изредка бывал достаточно близко от центральной части этого атома.

Электронная жидкость

Несмотря на то, что эти и другие электроны движутся в основном по траекториям, проходящим между атомами, они притягиваются находящимися поблизости положительными ионами натрия и в свою очередь сами притягивают их. Таким образом, внешние одиночные электроны каждого иона натрия образуют совместно своего рода жидкость из отрицательных зарядов, в которую погружены положительные ионы Na+. Эта «электрически отрицательная жидкость», притягивающая положительные ионы натрия, обусловливает целостность куска металла натрия.

Описанная «электронная жидкость» объясняет способность всех металлов легко проводить электрический ток. Если приложить к металлу электрическое поле, присоединив к куску металла полюса электрической батареи, то быстро движущиеся электроны начнут «дрейфовать» в металле в направлении, определяемом полярностью батареи. Электроны поступают в металл у одного полюса батареи и удаляются из него у другого. То, что металлы — хорошие проводники тепла, тоже связано с наличием в них этой «электронной жидкости», или «электронного газа», как ее называет большинство физиков.

Если нагревать с одного конца кусок металла, то электроны, составляющие «жидкость», будут двигаться несколько быстрее. Эти более быстрые электроны передают свою избыточную энергию — кинетическую энергию, обусловленную их скоростью, — другим частям куска металла, которые в результате этого нагреваются.

У этой «электронной жидкости», скрепляющей ионы металла, имеется еще одно интересное свойство. «Жидкость» связывает воедино ионы металла в жидком состоянии почти так же хорошо, как в твердом. Она действует как своеобразная жидкая среда, в которой ионы могут двигаться или образовывать правильную кристаллическую решетку при кристаллизации металла. Сравним электронные орбиты в кристаллическом натрии и кристалле алмаза. Натрий плавится при 97° С (чуть-чуть ниже температуры кипения воды при нормальном атмосферном давлении). Это — низкая температура по сравнению с точками плавления большинства веществ. Для разрушения кристаллов натрия и превращения их в жидкость требуется лишь немного тепла. Однако ионы не могут высвободиться из «электронной жидкости», если не подвести значительно большее количество тепла. Чтобы натрий начал испаряться, его нужно нагреть почти до 900° С.

Электроны и их поведение

В алмазе же электроны находятся во вполне определенных связях, и на них не отражаются никакие свойства «электронной жидкости», как, например, в натрии. Чтобы расплавить алмаз, нужно подвести достаточное количество тепла для ослабления существующих в нем межатомных связей. Эти связи настолько прочны, что для их разрушения кристалл приходится нагревать до температуры свыше 3500° С. Тогда атомы просто испаряются непосредственно из кристалла, минуя стадию образования жидкости. Широкий температурный интервал, в пределах которого сохраняется жидкое состояние, характерен для многих металлов. Почти каждый знаком с таким жидким металлом, как ртуть.

Другие металлы, как, например, железо, вольфрам и др., имеют более высокую точку плавления. В них целостность структуры обусловливается двумя разными способами связи — наличием «электронной жидкости», о которой мы только что говорили, и связями между отдельными атомами, как в кристаллической решетке алмаза. Эти металлы обладают, таким образом, прочностью, основанной на жестких связях и электрических свойствах, обусловленных «электронной жидкостью».
Все электроны ведут себя по-разному.

Электроны — удивительные частицы. Все они в известных конкретных условиях ведут себя по-разному. Правда, трудно отличить один электрон от другого по его массе и заряду. Однако вы никогда не сможете найти два электрона, которые одновременно находились бы в одном и том же месте и одинаково двигались в одном направлении.

Если два электрона находятся на близком расстоянии друг к другу, то они всегда движутся с различными скоростями или в разных направлениях. Если же скорость и направление движения обоих электронов одинаковы, то они могут перемещаться по орбитам вокруг различных атомов. (У двух электронов есть еще одна возможность вести себя по-разному: каждый электрон вращается вокруг своего центра, подобно крошечному волчку. Направление вращения такого волчка может быть различным у разных электронов).


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru