К ИСТОКУ

о развитии Божественного Начала в Человеке

* Вход   * Регистрация * FAQ * НОВЫЕ СООБЩЕНИЯ  * Ваши сообщения 

Текущее время: 12 дек 2017, 17:44

Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 17 ]  На страницу 1, 2  След.
Автор Сообщение
Сообщение №1  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:42 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Атомы, молекулы, кристаллы

77795289_sld002.jpg

автор статей: http://evosfera.ru/

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №2  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:45 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Атомы и химия


Заканчивая экскурсию по мастерской "атомного архитектора", напоследок остановимся возле таблицы периодической системы Д. И. Менделеева. С этой таблицей мы знакомимся еще в школе.

В левой ее части есть графа "Периоды", а под ней приведены цифры. Сколько их всего? Семь. Сколько различных элементов (то есть атомных построек) в каждом из периодов? В первом - 2, во втором - 8, в третьем - тоже 8, в четвертом и пятом - по 18, в шестом - 32 (не забудьте посчитать редкоземельные элементы - лантаниды внизу таблицы), в седьмом - пока 16 (причины этого, как уже сказано, будут описаны в следующей главе).

А теперь вспомним цифры, характеризующие "емкость" электронных оболочек, в порядке ее возрастания: 2, 8, 18, 32 и так далее. Сравним эти цифры с приведенными выше - они одинаковы. Но только непонятно, почему в периодической таблице некоторые цифры повторяются по два раза: 2, 8, 8, 18, 18, 32 (последний период не будем пока что рассматривать).

Эти повторяющиеся цифры - результат тех самых нарушений порядка в заселенииатомов электронами, о которых мы рассказывали выше. Поэтому третий период вместо того, чтобы закончиться на никеле ( 28), кончается уже на аргоне ( 18). И дальше этот "сдвиг", на который накладываются "сдвиги" от других нарушений порядка заселения атомов, продолжается до самого конца периодической таблицы.

В результате соответствие между оболочками и периодами становится не таким простым. Но все же "емкость" периода нигде не превышает"вмести-мости" соответствующих ему оболочек. Так квантовая картина заселения атомов объясняет одну важную черту периодической системы.

4-himia.jpg

открыть спойлер
Взглянем теперь на "шапку" таблицы. Там крупно написано "Группы", а под ней идут римские цифры от I до VIII и, совсем справа, -0. Что обозначают эти цифры? Любой школьник охотно ответит: "Да это же валентности элементов!" Будем строги и поправим его. Во-первых, не просто валентности, а валентности по отношению к фтору (или, как иногда говорят, по отношению к водороду). А во-вторых, что такое валентность? Наш школьник быстро продолжит, что валентность - это число атомов, которые может присоединить к себе... и так далее. Но сегодня такое понимание вопроса сохраняется разве что в описательной химии ("положим в сосуд, нагреем, понаблюдаем, подольем другой реактив, выпадет осадок..."). Теоретическая химия давно уже стала на иной, на физический фундамент.

Валентность, точнее, валентность по отношению к фтору, - это число электронов в самой внешней, самой удаленной от ядра оболочке атома. При таком определении валентность совпадает с номером группы всюду, за исключением двух последних столбцов периодической таблицы. Цифру VIII правильнее было бы поставить над самым последним столбцом, а над предпоследним - сразу три цифры: 0, 1 и 2. Для этого, как мы увидим, есть существенные основания.

Но почему на самой внешней оболочке атома никогда не бывает больше восьми электронов? Это легко понять, вспомнив порядок распределения "жилой площади" в атомах. В первой оболочке - всего2 электрона, во второй -8, в третьей должно было бы быть 18, но ее заселение временно приостанавливается на аргоне, когда в ней 8 электронов. После этого внешней оболочкой стала четвертая, а третья, превратившись тем самым во внутреннюю, дозаселялась под нею. То же случилось затем в свою очередь с четвертой оболочкой, и так далее.

Как только внешняя оболочка заселяется до восьми электронов, дальнейшее ее заполнение становится невыгодным. Но вслед за тем появляется новая оболочка, а недостроенная уходит в глубьат:ма. Дозаселится ли она или нет - для нас теперь неважно: химические свойства атома определяет только сэмая внешняя его оболочка.

Так становятся возможными восемь типов химического поведения атомов, в соответствии с числом электронов на их внешней оболочке. Прежде чем итти дальше, надо отметить, что полностью заселенная восьмиэлектрон-ная оболочка имеет потенциальную энергию, значительно меньшую, чем с пустыми или полупустыми "квартирами" в ней. А раз так, значит, атом с такой оболочкой обладает повышенной устойчивостью, в том числе и в химическом отношении.

Атомы с полностью заселенными внешними оболочками "благородно" шествуют среди толпы оживленного химического "люда", не вступая с нею ни в какой контакт. Соответствующие элементы так и получили название "благородных", а также инертных. Они все и собраны в последнем столбце таблицы Д. И. Менделеева.

"Аристократы" атомного мира шествуют через толпу, а толпа завидует им и пытается подражать по мере своих сил. Все "неблагородные" атомы обнаруживают более или менее ясно выраженное стремление создать у себя полную восьмиэлектронную внешнюю оболочку.

Сами они сделать этого не в состоянии и подыскивают себе партнеров. Однако, понятное дело, если у одного есть аристократический камзол, а у другого - изящные панталоны, то этого мало, чтобы составить два полных одеяния на двоих - его может хватить только на одного.

И вот тут происходит такое, что химики называют реакцией, а мы образно наречем "самопожертвованием": один отдает другому панталоны, а сам следует за ним как будто нагишом. Но это не "голый король": сбрасывая лишнюю одежду, он обнажает скрытый под ней настоящий аристократический наряд! (Правда, сказанное относится лишь к атомам, следующим за неоном.) В самом дете, рассмотрим, например, реакцию между натрием и хлором, приводящую, как известно, к образованию "соленой" молекулы NaCl. У атома натрия есть "панталоны": на внешней, третьей его оболочке обитает один электрсн. Атом хлора владеет "камзолом": он на той же оболочке имеет семь электронов. Натрий с большой охотой жертвует хлору свой единственный электрон, и хлор приобретает "благородную" восьмиэлектронную оболочку.

Но и натрий не остается внакладе. Сбросив "панталоны", он обнажает... полную восьмиэлектронную группу благородного газа неона! Так двум "простолюдинам" удается одновременно стать двумя "аристократами", но, в отличие от истинных "аристократов", лишь вдвоем, неразрывно связав себя в молекулу.

Атомы, таким образом, разделяются на "дающих" и "берущих". Те из них, которые имеют на внешней оболочке менее четырех электронов, охотнее их отдают. Те же, у кого это число больше четырех, охотнее принимают. В самом деле, легче приобрести, скажем, два электрона, чем отдать шесть (такая ситуация возникает в атоме кислорода).

В группе под номером IV сидят "ленивые простолюдины". У них четыре электрона на внешней оболочке, и они подчас долго колеблются, "брать" или "отдавать". Эти элементы так и были названы амфотерными, что на языке химии означает примерно "ни рыба ни мясо". От таких элементов действительно можно ожидать любого химического поведения.

А вот в группе под номером VIII сидят наши "ненормальные" атомы. И сидят там, вообще говоря, не по праву. У них на внешней оболочке один или два, но никак не больше электронов. Зато заселение лежащей под ней оболочки оказывает значительное и весьма сложное влияние на поведение электронов внешней обслочки.

В результате "ненормальные" атомы способны выкидывать всякие фокусы. Например, они, как правило, имеют переменную валентность: в одной реакции одну, в другой - совершенно другую. То, что их поместили под номером VIII, означает лишь, что высшая валентность по отношению к кислороду у них может быть равна 8, иными словами, каждый такой атом может присоединять к себе четыре кислородных атома.

Но не думайте, что другие "ненормальные" атомы, укрывшиеся в других клетках периодической таблицы, ведут себя более пристойно. Ничуть не бывало! Они способны на такие же выходки, как и их собратья из VIII группы.

Таблица Менделеева этого обстоятельства не отражает. От нее нельзя, однако, того требовать. Она создавалась еще в те времена, когда никто не знал даже, как устроен атом. Сегодняшние же ученые не торопятся переделывать таблицу. В поведении аномальных элементов еще много непонятного. Вот когда это все прояснится...

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №3  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:48 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Атомы щедрые и атомы жадные

Наиболее распространены в настоящее время примесные полупроводники на базе химических элементов германия и кремния.

Что это за элементы? Взглянем на периодическую таблицу Д. И. Менделеева. Мы увидим, что кремний ( 14) и германий ( 32) находятся в IV группе. Эту группу мы некогда назвали "ни рыба ни мясо". Так оно и есть. Германий и кремний - ни проводники, ни изоляторы: они являются типичными полупроводниками.

4-shedrie.jpg

На самой внешней оболочке этих атомов- четыре электрона. При соединении атомов в кристалл все эти электроны идут на образование взаимных связей между атомами. Они ведут рабскую жизнь в подвале. Поэтому при низких температурах кремний и германий не проводят тока.

Но подмешаем, скажем, к германию какой-нибудь элемент из соседней V группы, например мышьяк ( 33). Мышьяковые атомы кое-где потеснят атомы германия и займут их места в решетке. При этом каждый атом мышьяка должен взять на себя обязательства замещенного им атома германия.

У атома мышьяка на внешней оболочке пять электронов. Четыре из них он отдает на возмещение химических связей, которые имел бывший хозяин этого места в решетке - атом германия. А пятый электрон? Он остается не у дел.

открыть спойлер
Подсчет показывает, что энергия этого электрона отвечает как раз уровню в запрещенной зоне, но возле ее "потолка". Чтобы этот электрон перешел в зону проводимости, ему нужно сообщить совсем небольшую добавочную энергию. Она в 10-15 раз меньше высоты самой запрещенной зоны.

Атом мышьяка, щедро отдающий свой электрон кристаллу-хозяину, получил название донора. А соответствующие электронные уровни - название донорных уровней.

Но возьмем вместо мышьяка какой-нибудь элемент из группы слева от германия, скажем, бор ( 5). Он находится в III группе, значит, на внешней оболочке его атомов только три электрона. Заняв в решетке место атома германия, атом бора может возместить только три из четырех химических связей бывшего владельца.

4-shedrie2.jpg

Как быть? И атом бора пускается на "воровство". Он крадет электрон из соседнего с ним в решетке атома германия. Пример борного атома оказывается заразительным: за одной кражей следует целая их цепочка. Атом германия, "обворованный" атомом бора, сам хватает электрон у соседнего германиевого атома, тот-у следующего, и так далее. Возникшая свободная электронная квартира перемещается все дальше от атома германия, первым "ограбившего" своего соседа.

Мы уже знаем, как это выглядит: движется по кристаллу дырка. Только теперь виновником ее рождения является не тепловой выброс электрона из валентной зоны, а наличие атома бора.

При этом в запрещенной зоне возле самого ее "дна" образуются опять же местные уровни энергии. Только теперь их могут занимать не электроны, а дырки.

Атомы наподобие "вора"-бора получили название акцепторов. А отвечающие им дырочные уровни - название акцепторных уровней.

В соответствии с тем, какие атомы вселены в решетку германия или кремния, в этих элементах оказываются возможными два вида электрической проводимости-электронами или дырками.

Еще раз попросим читателя четко представлять себе, что дырка - это лишь условное, но, правда, удобное обозначение электронного движения. Дырка - это, если угодно, изображение электрона, прыгающего в заполненной валентной зоне от атома к атому наподобие кенгуру. Тогда как электрон в зоне проводимости в своем движении более похож на плавно перемещающегося бегуна. Лучше сказать-на мелко семенящего бегуна. Выше мы уже говорили, что электронные уровни в зоне проводимости тоже отделены друг от друга, но эти расстояния между уровнями настолько ничтожны, что уровни практически сливаются друг с другом.

Вернемся к нашему рассказу. Попробуем подмешать к германию атомы и бора, и мышьяка. Какого рода электропроводность появится у германия? Очевидно, это будет зависеть от соотношения числа атомов обеих примесей. Если мышьяка будет больше, чем бора, то проводимость окажется электронной, если наоборот - то дырочной.

А зачем все это нужно? Оказывается, что соотношение обоих видов проводимости делает возможными очень важные применения полупроводников. И все из-за различия в "легкости" тока, осуществляемого движением электронов и дырок.Полупроводники с такими "двойными" примесями способны наглухо запирать токи в одном направлении, но зато прекрасно пропускать их в противоположном направлении. Иными словами, полупроводники могут работать как выпрямители.

Они способны маленькие напряжения, приложенные к ним, превращать в высокие - опять-таки благодаря возможности регулировать их сопротивление. А это значит, что полупроводники могут работать как усилители.

Маленькие, компактные, неприхотливые, экономичные, безотказно работающие- все эти достоинства полупроводников обеспечили им уже победу над большими неуклюжими электронными радиолампами.

Фотоны, попадая в полупроводник, выбивают в нем электроны из валентной зоны в зону проводимости. При освещении полупроводника возникает электрический ток. Значит, полупроводники могут преобразовывать световую энергию непосредственно в электрическую. И не только могут, но уже делают это, причем гораздо эффективнее, чем металлы.

В создании этих замечательных приборов выдающаяся роль принадлежит советским ученым во главе с А. Ф. Иоффе.

Кремниевые батареи в пустынях преобразуют губительные потоки солнечных лучей в электричество. Электричество вращает моторы в системах орошения, несущих воду выжженным уголкам Земли. Так люди заставили Солнце работать против самого себя! Полупроводниковые электрические батареи работают на космических ракетах и искусственных спутниках Земли.

Полупроводники превращают прямо в ток и тепловую энергию. Становится ненужной сложная и в сущности неуклюжая система паровых электростанций, где тепло сначала переводит воду в пар, а пар уже вращает турбину, с которой связан ротор динамомашины. Когда-нибудь эта система исчезнет с лица земли. А пока что полупроводники успешно работают в качестве термоэлектрогенераторов, превращая в электрический ток тепло керосиновых ламп, в качестве холодильников, в которых нет ни одной движущейся части.

Но это - лишь пока. Сейчас даже трудно предвидеть все то блестящее будущее, которое ожидает эти чудесные кристаллы.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №4  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:51 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Атомный архитектор за работой

4-arhitektor.jpg

А теперь окончательно вернемся в мастерскую "атомного архитектора". Пройдемся по выставке "типовых проектов".

"Типовой проект" 1. Атом водорода. Нас он уже не интересует. Слишком "просто" устроен этот атом! Хотя до этой простоты ученые добирались не один век.

"Типовой проект" 2. Атом гелия. Кажется, и в нем не может быть ничего интересного. Мы только что выяснили, что каждое электронное облако может образовываться двумя электронами. Значит, атом гелия, видимо, не будет отличаться от атома водорода. Посмотрим на "готовую модель": так оно и есть, только электронное облако вдвое плотнее. Оно теперь образовано не одним, а двумя электронами.

У атома лития ("типовой проект" 3) мы замечаем образование второго шарообразного электронного облака, внутри которого находится первое, гелиевое. Это понятно: принцип Паули не допускает, чтобы в каждой энергетической атомной "квартире" проживало более двух электронов.

Второй жилец в "квартире на втором этаже" появляется в следующем за литием атоме бериллия. Пока заселение атомного дома происходит вполне упорядоченно и благопристойно.

открыть спойлер
Но вот мы обращаемся к "типовому проекту" 5 - атому бора. Видно, что наш "атомный архитектор" долго мучился, пытаясь вселить нового жильца. Надо было и "кубатуру" атомного дома сэкономить, итак поселить жильца-электрона, чтобы он как можно реже встречался с "въехавшим" ранее. Ведь атомные жильцы весьма неприязненно относятся друг к другу. Они испытывают взаимное отталкивание и, даже проживая в одной квартире, предпочитают не встречаться, двигаясь как бы в противоположных направлениях.

И "атомный архитектор" нашел вполне "модернистское" решение: он прорыл сквозную "проходную" квартиру через все этажи атомного дома и поселил пятого жильца в ней! И, видимо, архитектору так понравилось это решение, что в следующем "проекте" - атоме углерода - он вселил в эту, "на-попа поставленную" квартиру второго жильца.

Следующие четыре "типовых проекта" не радуют ничем новым. Архитектор всерьез оседлал идею "междуэтажных" квартир и прорыл еще две, под углом 120 градусов к первой квартире и друг к другу.

Вот на какие ухищрения пришлось пуститься природе, чтобы расселить "сварливых" соседей в небольшом объеме атомного дома. Но зато теперь они не ссорятся, не требуют расселения, а это очень существенно для прочности того дома, в котором они живут. Ведь природа строит атомы не на один день! И здесь перед нами вырисовывается, вслед за принципом Паули, второй, столь же общий принцип, которым руководствуется природа при постройке атомов. Это - принцип энергетической выгоды.

Взаимное отталкивание электронов должно сильно увеличивать потенциальную энергию атома. Но в природе какое-либо образование тем надежнее, устойчивее, чем меньше его потенциальная энергия. Если вы упадете с десятого этажа на землю, равнодушная природа вам нисколько не посочувствует, но зато не преминет заявить: "Ну вот, теперь вы чувствуете себя устойчивей!" Такое же стремление к устойчивости проявляется и в мире атомов. Тот атом устойчив, у которого наименьшая возможная потенциальная энергия. И природа в разработке своих "типовых проектов" атомов немало усилий затратила на преодоление взаимной антипатии электронов, умело скомпенсировав ее общим тяготением электронов к ядру.

Пока что принцип энергетической выгоды в атомах проявился только в причудливой внутренней планировке атомных построек. Но подождите, он еще проявится и в не менее оригинальном распределении "жилой площади" в атомах.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №5  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:54 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Бракосочетание атомов

4-brak.jpg

Вспомните проделку атомов-"простолюдинов", вздумавших подражать атомам-"аристократам" инертных элементов. В благородный наряд они все-таки оделись, - но "на пару". А иногда приходится делить такой нарядна троих, четверых и даже больше партнеров.

Издали смотреть-такая проделка, может быть, еще сойдет. Целая молекула способна подчас проходить через толпу атомов столь же невозмутимо, как атом инертного элемента. Но вблизи обман ясно виден.

Вместо атомов в молекуле ютятся как чрезмерно одетые, так и раздетые "существа", которые называются отрицательными и положительными ионами. Процесс перераспределения электронных одежд не прошел для них даром. Атом, захвативший электронную одежду партнера, вцепился в нее и не хочет выпускать из рук. А раздетый его партнер, в свою очередь, не собирается с ней безвозвратно расстаться. Так и существуют они в/сцепившемся" положении, которое научно называется ионной молекулой.

Силы сцепления в таких молекулах - это в основном силы обычного электрического притяжения между разноименно заряженными ионами. Квантовой механике пока что тут почти нечего делать.

Ионных молекул существует великое разнообразие. В них "бракосочетаются" атомы, один из которых обязательно принадлежит левой половине таблицы Менделеева, а другой- правой. Чем дальше в таблице они находятся друг от друга, тем прочнее получается их "семья". И наоборот, для близких по группам в таблице атомов их вступление в "брак" происходит не так "жадно", да и "семья" получается не столь прочной.

открыть спойлер
Но существует не меньшее множество молекул, атомы в которых "вступают в брак" по совершенно другим соображениям. Простейшей "семьей" подобного рода является молекула водорода. К этому классу молекул относятся все "одноэлементные" молекулы (например, молекулы кислорода, азота, хлора), а также молекулы, атомы которых все принадлежат либо левой, либо правой половине менделеевской таблицы. Такие молекулы были названы ковалентными.

Для объяснения их существования и пришлось ввести квантовую механику. В самом деле, представьте себе, что один атом водорода приблизился к другому. Пока ни тот, ни другой не построили своей "семьи" и, как водится у холостяков, завидуют семейным. Первый атом говорит другому: - Отдай мне свой гардероб, и мы объединимся в молекулу.

- У меня не меньше прав предложить тебе то же?-гордо отвечает второй.

- Тогда, может быть, поменяемся одеждой? - А что проку?.Ведь от этого ничего не изменится: одежды наши совершенно одинаковы.

При этом "разговоре", разумеется, присутствует "атомный архитектор". Только теперь он собирается строить уже не атомы, а молекулы. И он дает совет обоим гордецам: - Все-таки объедините ваши гардеробы. Ведь вам все равно не сделать из них "аристократического" восьмиэлектронного наряда-материала не хватит. Пусть один электрон поживет немного в одном атоме, а потом в атоме партнера, и другой поступит так же.

- А что от этого изменится? Мы уже друг другу предлагали поменять -ся электронами,- отвечают гордецы.

- Вы ошибаетесь. Вы не учли, что будут такие моменты, когда в одном атоме окажутся два электрона, а в другом- ни одного. И тогда вы будете выглядеть вроде двух разноименно заряженных ионов. Отличие от ионной молекулы будет в том, что в ней один атом отдает, а другой забирает электроны, так что атомы в ней ионизированы практически постоянно. У вас же будет происходить лишь обмен электронами. То один из вас укутается электронами, а другой оголится, то наоборот.

- А как часто мы должны обмениваться? - уже сдаваясь, спрашивают атомы.

- Очень часто, - отвечает им архитектор. - Если бы я говорил на "полуклассическом языке" теории Бора, то примерно после каждого оборота по орбите электрон из одного атома должен переходить в другой, так что его орбита в молекуле напоминала бы восьмерку.

- Ну что, попробуем? - переглянулись атомы.

Попробовали и... образовали на диво прочную семью. Догадаться об этой хитрой проделке природы и тем более рассчитать, что из нее получится, смогла только квантовая механика. Взаимодействие одинаковых атомов, приводящее к образованию молекул, она законно назвала обменным. Классическая физика до подобного взаимодействия не могла бы и додуматься.

ак происходит такой электронный обмен по представлениям квантовой механики? Пока атомы находятся далеко друг_от друга, облака их электронов практически не перекрываются друг с другом. Но стоит этим атомам достаточно сблизиться, как благодаря значительному взаимному проникновению электронных облаков возникает заметная вероятность пребывания электрона каждого из атомов у ядра атома-партнера, то есть вероятность обмена.

Сколь же велика она? В молекуле водорода - около 15 процентов. Иными словами, десять минут за каждый час в одном атоме водорода собираются оба электрона, а в другом не остается ни одного.

4-brak2.jpg

Достаточно ли этого, чтобы обеспечить прочную связь атомов в молекулу? Расчет, выполненный английскими учеными Гайтлером и Лондоном с помощью квантовой механики, ответил - вполне! И действительно, теория в этом вопросе отлично совпадает с опытом.

L Объединение электронных одежд "бедных" и.ги, наоборот, слишком богатых ими атомов путем обмена оказывается очень распространенным в мире молекул.

Например, в атоме азота ("типовой проект" 7) всего семь электронов. Два из них, на внутренней оболочке, в обмене участия не принимают. Зато объединяются по пять электронов на внешних оболочках "бракосочетавшихся" атомов.

В следующем за азотом атоме кислорода в обмене участвует уже по шесть электронов от каждого атома, образуя молекулу обычного, двухатомного кислорода. А в трехатомном кислороде-озоне- объединение включает уже 18 электронов. И, чтобы этот обмен облегчить, третий атом пристраивается к первым двум не в "линеечку", а углом, так что путь, по которому путешествуют электроны, сокращается. И перебрасываются эти атомы электронами, как ставшие в круг игроки-волейбольным мячом.

Такая молекулярная постройка уже не напоминает по архитектуре составляющие ее атомы. Меняется и расселение жильцов, и сам вид квартир. Поэтому свойства молекул весьма существенно отличаются от свойств образующих их атомов.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №6  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:55 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Чудесная половинчатость

Вы, видимо, догадываетесь, о какой половинчатости пойдет речь дальше. В природе, в сущности, огромное большинство веществ принадлежит не к проводникам электрического тока или изоляторам, а к полупроводникам.

Половинчатые, промежуточные их свойства оказались настолько ценными, что полупроводники, призванные к жизни в последние десятилетия, произвели подлинную революцию в технике. Что это за свойства, вам, возможно, тоже известно: в отличие от изоляторов, полупроводники проводят ток уже при комнатной температуре, а в отличие от проводников их электрическое сопротивление с ростом температуры не увеличивается, а напротив, падает.

Природа не проложила непроходимой пропасти между изоляторами, полупроводниками и проводниками. Собственно говоря, эта пропасть нам уже известна. Ею является первая запрещенная зона между заполненной электронами валентной зоной и зоной проводимости, в которой имеется много незанятых электронных состояний, В изоляторах, чтобы преодолеть ступеньку, отделяющую тесный подвал от просторного первого этажа, электронам нужна большая энергия: уж очень высока эта ступенька. Такую энергию они могут получить лишь при высоких температурах (вспомним-тепловой пробой).

В полупроводниках же эта ступенька много ниже. Отвечающую ей энергию электроны, обитающие в подвале, могут приобретать уже при температурах порядка комнатной. Поэтому первый этаж в полупроводниках начинает заселяться электронами раньше, и при обычной температуре эти вещества, хоть и не очень хорошо, но все же проводят ток.

открыть спойлер
Иными словами, при приложении уже небольшого электрического поля к полупроводнику в нем возникает направленное движение электронов в зоне проводимости. Полюбопытствуем, что при этом происходит в подвале.

Там, оказывается, творятся тоже занимательные вещи. Дело в том, что электрон, переселившийся на первый этаж, оставляет после себя свободную квартиру. В тесном подвале мгновенно начинается ее дележ. Но занять квартиру может только один электрон. Какой-нибудь находившийся поблизости электрон так и делает. Но зато он освобождает свою прежнюю квартиру. В ту в свою очередь переселяется новый электрон.

Перескакивая из квартиры в квартиру, подвальные электроны словно пытаются подражать электрону, свободно несущемуся по первому этажу. Это выглядит так, как если бы кенгуру вздумал подражать бегуну. Бегун делает частые сравнительно мелкие прыжки - с большего расстояния их даже не увидать, и кажется, что он наращивает скорость совершенно плавно. Кенгуру же передвигается редкими длинными прыжками.

Если считать, что первая электронная квартира освободилась в центре города, то переселение электронов приводит к тому, что квартира в конце концов "ускачет" на окраину города.

Такую путешествующую электронную квартиру физики не совсем уважительно назвали дыркой. Понятно, что она ведет себя противоположно электрону, который покинул ее. Скажем, электрон в электрическом поле движется слева направо. А оставленная им дырка перемещается наоборот, справа налево, то есть ведет себя в поле, словно положительно заряженная частица. И, кроме того, в отличие от электрона, она движется сравнительно редкими и крупными скачками.

При низких температурах, однако, все электроны еще заперты в подвале. С ростом температуры все большее их число освобождается, ток растет, а сопротивление полупроводника падает. По сравнению с металлом - все наоборот.

До сих пор речь шла о чистых полупроводниках. Описанный механизм тока в них был назван истинной или собственной проводимостью. Но чистые полупроводники представили для техники, в общем, мало интереса. Все чудеса, на которые способны полупроводники, возникают лишь при добавлении к ним примесей.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №7  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 12:56 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Еще одно чудо - но пока без объяснения

Но вернемся к "атомной архитектуре". Впрочем, нам придется отвлечься еще раз, чтобы поговорить о так называемом спине электрона.

Смысл спина мы опишем двумя главами позже. Пока же коротко укажем, что спин совершенно невозможно понять с позиций классической физики. Его перзооткрывателн наивно полагали, что спин может быть как-то связан с "собственным вращением" электрона ("спин" по-английски и означает "волчок").

Земля вращается вокруг Солнца? Вращается. Но, кроме того, она вращается и вокруг собственной оси.Электрон вращается вокруг ядра. Но точно так же он может одновременно вращаться вокруг собственной оси.Вы поняли это "наглядное объяснение"? А теперь начисто забудьте его, попросту выбросьте из головы! Автор, конечно, просит извинения за такое, не совсем вежливое обращение к читателю. Но, к сожалению, это нелепое, хотя и "образное", объяснение спина очень распространено в популярной литературе. По поводу такого объяснения можно только "невежливо" ругаться.

Электрон вращается вокруг ядра?- Ничего подобного. Движение электрона в атоме гораздо сложнее. Пытаться представлять его с помощью "классического" понятия вращения - это значит давать жалкую и притом искаженную копию реального положения вещей.

Электрон вращается вокруг собственной оси? - Даже отдаленно нет ничего похожего. Да и что такое "ось" электрона? Электрон ведь квантовой механикой представляется не в виде шарика, а точкой1. "Ось" точки - экая чепуха! "Вращение" точки вокруг себя, - да это и представить себе невозможно! Это представление заведомо неточно, но с другим квантовая механика не "умеет" работать. Подробнее об этом сказано в последней главе.

открыть спойлер
Вот так и получается, что о спине электрона нельзя составить никакого сколько-нибудь наглядного представления. Впрочем, ничуть не нагляднее выглядят те "кентавры", с которыми мы имели дело до сих пор - частица-волна (электрон) и волна-частица (фотон).

Существование спина проявляется для атомного электрона в том, что к моменту количества движения (моменту импульса) электрона, которым он обладает в своем движении в атоме возле атомного ядра, добавляется некоторая величина, принадлежащая уже собственному движению электрона. Иными словами, эта величина не связана с тем, движется ли электрон около ядра или же он путешествует "полусвободно" в куске металла, или же он, наконец, практически совсем свободно движется в межзвездном пространстве. Спин электрона всегда имеет одну и ту же величину и существует только "без отрыва" от электрона.

Оказывается, спин электрона в атоме может как складываться с моментом импульса электрона, отвечающим его движению около ядра, так и вычитаться из него. Это можно выразить и другими словами: оба значения полного момента импульса электрона отвечают как бы противоположным собственным движениям электрона, которые в сущности ничем не отличаются друг от друга. Это "в сущности" имеет точный смысл: в атоме, не подвергающемся никаким внешним воздействиям, оба указанных движения имеют одну и ту же энергию.

В результате каждый уровень дозволенной энергии в атоме может быть занят не одним, а двумя электронами, имеющими спины, направленные в противоположные стороны. Таково первое уточнение, которое вносится в принцип Паули.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №8  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:09 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Изоляторы тоже проводят ток!

У изоляторов, понятно, все без исключения электроны запрятаны в подвал. При обычных условиях зона проводимости их пуста: слишком широка первая запрещенная зона, нет у электронов такой энергии, чтобы они могли перескакивать через нее. Но когда изолятор сильно нагрет, энергия колебаний его ионов в узлах решетки становится большой. Она может передаваться электронам, и те получают достаточно энергичные "шлепки", чтобы иметь возможность перескочить в зону проводимости. Изолятор начинает проводить ток. Это явление так и называется - тепловой пробой.

В сущности для его объяснения даже не надо было привлекать квантовую механику. Ведь то, что электрон попадает в зону проводимости, означает лишь, что он вырвался из того узкого атомного мирка, в котором он дотоле пребывал, и стал почти свободным. А энергия, которая необходима для его освобождения, просто равна ширине запрещенной зоны, разделяющей подвал и первый этаж.

Все это можно представлять так, как будто тепловой "толчок" выбросил электрон из атома, ионизировал атом. А оторвавшийся от атома электрон, еще не имея возможности покинуть кусок изолятора, все же движется в нем совершенно свободно.

Но оказывается, что изолятор становится проводником электрического тока и в том случае, если к нему приложить очень сильное электрическое поле. Постойте, это что-то очень знакомое... ну, конечно, холодная эмиссия электронов из металлов, о которой мы рассказывали в предыдущей главе. Но там металл, а тут ионный кристалл. Там электроны вылетают "наружу", а здесь только из валентной зоны в зону проводимости.

4-izolator.jpg

И все же, несмотря на эти различия, явление в обоих случаях действительно одно и то же. И там и здесь работает "чудо" - туннельный эффект.

открыть спойлер
В самом деле, что такое запрещенная зона, как не потенциальный барьер практически бесконечной (для электрона, разумеется) длины? Это та самая ступенька, которая имеет одну "переднюю" сторону. Электрическое поле, как и раньше, перекашивает ее, создает у нее и "заднюю" сторону. А в результате барьер приобретает конечную длину.

Дальше все повторяется по-старому. Электроны начинают просачиваться из валентной зоны через этот барьер в зону проводимости. Появляется сначала небольшой электрический ток: вероятность просачивания невелика, в зону проводимости выходит мало электронов. Но этот ток, проходя по кристаллу, разогревает его, наподобие спирали электроплитки. Этот нагрев, в свою очередь добавляет новые отряды электронов в зону проводимости. Ток в изоляторе как бы сам себя разгоняет! И через ничтожное мгновение наступает электрический пробой изолятора. Он сопровождается одновременно и тепловым пробоем: изолятор оплавляется. После этого изолятор можно спокойно выбросить на свалку: он уже больше не годен.

Но есть и более "мирный" способ создания электрических токов в изоляторах. Токи эти очень слабенькие и не могут принести им вреда. Это - освещение ионных кристаллов. Фотоны, попадая в кристалл, выбивают в нем электроны из валентной зоны в зону проводимости. Настоящий фотоэффект, но теперь только не "наружный", а "внутренний". Это уже не вредное, а очень полезное для многих практических применений явление.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №9  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:11 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Как ток идет по металлу?

"Даже стыдно задавать такие вопросы в наш просвещенный век! - может заявить читатель с упреком. - Электроны входят из источника тока в один конец провода, электрическое поле гонит их по металлу, и они выходят с другого конца провода. Как вода, качаемая насосом, течет по трубе!" Но нам не стыдно. Пусть просвещенный критик попробует в таком случае объяснить, почему возникает электрическое сопротивление. Проводник - не труба, стенки у него не шероховатые. Почему металл, в котором полным-полно переносчиков тока, все-таки сопротивляется току? Это - один из тех "наивных" вопросов, ответ на которые оказывается совсем не наивным. Люди знают об электрическом токе полтораста лет, а ответ на заданный выше вопрос пришел лишь около тридцати лет назад. Классическая физика пытается объяснять электрическое сопротивление так. Направленное движение электронов - это и называется током - все время нарушается тепловыми колебаниями ионов в "каркасе" металла. Эти колебания сбивают электроны с пути. В результате движение электронов начинает походить на передвижение людей в доме, в котором качаются стены и трясутся полы.

Понятно, чем меньше колебания стен и полов, тем легче идти по дому. При абсолютном нуле температуры, когда тепловые колебания ионов полностью прекращаются, электрическое сопротивление должно упасть до нуля.

Что ж, это похоже на правду, по крайней мере для очень чистых, практически без всяких примесей, металлов. Вся загвоздка оказывается именно в примесях. Сопротивление "загрязненных" металлов при понижении температуры стремится не к нулю, а к некоторой отличной от него величине, которая зависит от содержания и рода примесей в металле. Чем больше примесей, тем выше это остаточное сопротивление.

Что по этому поводу говорит классическая физика? Да ничего. Для нее все равно, что атом металла, что атом примеси: при одинаковой температуре они колеблются одинаково энергично, мешают путешествию по дому с равной активностью.

открыть спойлер
А вот квантовая механика оказалась более^"наблюдательной": для нее "свой" и "чужой" атомы в решетке различаются так же резко, как если бы их выкрасить в разные цвета. В чем же состоит ее объяснение электрического сопротивления? Для этого нам придется вспомнить тот замечательный опыт, с которого мы начали рассказ о квантовой механике, - опыт по дифракции электронов на кристалле. Там электроны налетали на наружные слои атомов кристалла, частично отражались ими и образовывали на фотопластинке дифракционные кольца.

Разве электронный ток в металле нельзя считать пучком электронов? Конечно, можно. Здесь электроны также стройными рядами движутся в одном общем направлении, только что пучок шире, занимает все сечение куска металла. Но тогда неизбежно следует, что прохождение электронов по металлу должно сопровождаться как бы "внутренней дифракцией" электронов на ионах решетки. Если бы внутри куска металла удалось поместить фотопластинку , то на ней тоже могла бы образоваться дифракционная картина! Дифракция обладает одним интересным свойством. Стоит нарушить регулярность в расположении предметов, рассеивающих волны, как четкая картина исчезает, фотопластинка оказывается почти равномерно засвеченной. Рассеяние волн, как говорят физики, становится однородным.

Именно такой беспорядок в регулярную структуру металлического кристалла вносят колебания его ионов и присутствие посторонних атомов примесей. И в результате волны электронов, участвующих в токе, рассеиваются во все стороны.

Атом примеси, как правило, имеет совершенно другие размеры,- другую электронную оболочку, чем атом металла. Внедряясь в его решетку, атомы примеси искажают ее. Продолжая нашу аналогию, можно атом примеси по своему действию сравнить с перекошенным коридором, неожиданным провалом в полу. Ясно, что эти дефекты дома сохранятся и тогда, когда стены и пол перестанут качаться. Действительно, искажения, вносимые в решетку металла атомами примеси, не зависят от температуры и сохраняются даже при абсолютном ее нуле. Рассеяние электронных волн на этих искажениях решетки и есть причина необъяснимого с точки зрения классической физики остаточного электрического сопротивления металлов.

Так оказывается, что металлы, хотя и хорошо проводят ток, все же далеки от идеала. Впрочем, не все и не всегда. Природа, словно недовольная своим созданием, решила продемонстрировать, что она способна и на большее. Она создала сверхпроводники.

Ряд металлов и сплавов (их можно пока еще перечислить по пальцам) при очень низких температурах начинает вести себя очень странно. При температурах еще на добрый десяток градусов выше абсолютного нуля эти вещества внезапно, скачком, уменьшают свое электрическое сопротивление до нуля. Это явление, обнаруженное полвека назад, и получило название сверхпроводимости.

Классическая физика так и не смогла объяснить это явление. Интересно заметить, что даже "могущественной" квантовой механике пришлось потрудиться добрых три десятка лет, пока она в этом добилась успеха. Очень уж "хитрым" оказалось явление!

Решение загадки сверхпроводимости пришло в самые последние годы. Очень существенный вклад в эту разгадку внесли работы советского физика Н. Н. Боголюбова и его учеников. Подробно рассказать об этом на страницах нашей книги невозможно. Ограничимся лишь краткой аналогией, которая, однако, хотя и наглядна, но довольно груба.

Фокус сверхпроводимости заключается в том, что при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, в ряде металлов в силу особенностей их строения взаимодействие электронного облака с ионным "каркасом" радикально меняется. Если до этого каждый "солдат" "электронной армии" воевал сам по себе, то при температуре возникновения сверхпроводимости электроны сплачиваются в пары.

Это незамедлительно сказывается на характере "войны", которую ведут в металле электроны и ионы. Если раньше каждый электрон участвовал в стычках с ионами поодиночке и мог легко выбывать из строя, то теперь электронные пары движутся, не отзываясь на наскоки отдельных ионов,встречающихся им на пути. Электроны как бы перестают замечать свое ионное агрессивное окружение.

Разумеется, при этом трудности пути "электронной армии" значительно уменьшаются. В результате резко падает электрическое сопротивление металла.

Новый способ "войны", говоря на языке физики, заключается в том, что теперь длины волн, отвечающие движению электронов в металле, имеют порядок величины, в тысячи и десятки тысяч раз превышающей расстояния между ионами. Если вы внимательно прочитали эту главку, то сможете сразу разгадать секрет новой "тактики": длина волны электронной пары оказывается настолько больше размеров ионных препятствий на ее пути, что пропадает дифракция отдельных электронов, сопутствующая прохождению тока через металл при обычных условиях. А с нею исчезает и сопротивление току.

Но такой идеальный строй "электронная армия" имеет лишь до тех пор, пока наскоки ионов недостаточно энергичны. При переходе температуры через определенный предел стычки, с ионами мгновенно разваливают пары на отдельных солдат. Теперь солдаты сражаются с неприятелем снова поодиночке и электрическое сопротивление металла восстанавливается.

Ну что, стоило заводить разговор о том, как идет ток по металлу?

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №10  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:13 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Каркасы и этажи кристаллов

111939.jpg

Атомы металлов, объединяясь в кристалл, действительно, обобщают свои электроны. В результате возникает своеобразная "каркасная" архитектура таких кристаллов. В узлах решетки сидят малоповоротливые ионы, окруженные легким и подвижным общим электронным облаком. Это облако играет роль цемента, скрепляя воедино враждующие одноименно заряженные ионы. А ионы в свою очередь - цемент для стремящихся разлететься во все стороны электронов.

Электроны в металле, как мы уже говорили, "почти" свободны. В самом деле, когда каждый атом отдает свой пай в общий котел, то электрон перестает принадлежать исключительно ему и становится слугой триллионов господ. Он получает возможность свободно разгуливать по всему кристаллу - этакий микроскопический Фигаро! Надо сказать, что такой свободы удостаиваются далеко не все электроны. Каждый из атомов отдает в общее владение лишь один-два самых внешних своих электрона, а остальные "сидят взаперти" при своем "хозяине". Но даже и при этом армия почти свободных электронов колоссальна: в кубическом сантиметре металла их насчитывается порядка 1022-10гз.

Металлический кристалл, если можно так выразиться, имеет более совершенную "общественную" организацию по сравнению с ионным кристаллом. Последний - это как бы рабовладельческое общество: все электроны влачат рабское существование в своих атомах. Металл же скорее феодальное общество: каждый хозяин отпускает часть своих рабов на оброк.

Такое усовершенствование не замедлило сказаться на свойствах кристалла. Металл получил возмсжность проводить электрический ток.

Если приложить обычное электрическое поле к ионному кристаллу, то оно лишь немного перераспределит, как бы вытянет электронные облака в его атомах. Следствием этого явится так называемая электрическая поляризация кристалла. Но ни один электрон из ионов не освободится, асами ионы по-прежнему останутся "сидеть" в своих узлах. И раз нет свободных переносчиков заряда, значит, нет и электрического тока. Ионные кристаллы являются изоляторами.

открыть спойлер
В металлах же почти свободных переносчиков заряда - электронов - хоть отбавляй. Поэтому они хорошо проводят электрический ток.

А где же место полупроводников? Его мы определим немного спустя.

Сейчас же рассмотрим одно важное обстоятельство, установленное квантовой механикой для металлов. Какими энергиями обладают "обобществленные" электроны в металле? Ответ кажется простым. Электроны освободились из атомов и тем самым как будто могут иметь любые энергии. Мы помним, что для свободных электронов квантовый характер их уровней энергии исчезает.

Но подождем делать такое заключение. Электроны действительно ушли из атомов, но еще не покинули куска металла. Атомным законам они теперь не подчиняются, но в металле есть и общиезаконы, которые управляют поведением уже не одного электрона, а целой электронной армии.

Каковы же эти законы? Атомные законы, как вы помните, были найдены из решения уравнения Шредингера. Пытаясь узнать законы жизни электронов в металлических кристаллах, физики поступили аналогичным образом. Они решили уравнение Шредингера для движения электронов в периодическом электрическом поле положительных ионов, регулярно располагающихся в узлах кристаллической решетки металла.

Здесь уместно сделать небольшое отступление. До сих пор, говоря о том, как влияет один атом на другой, находящ йся рядом, мы отмечали как бы лишь внешнюю сторону этого влияния. Атомы либо отталкивались друг от друга, либо притягивались и образовывали молекулы.

Но что происходит при этом внутри самих атомов? Оказывается, в них электронные облака меняют свою конфигурацию. Это удалось выяснить благодаря явлению, открытому немецким физиком Шгарком еще до возникновения квантовой механики в ее современном виде. Накладывая на вещество сильное электрическое поле, Штарк обнаружил расщепление излучаемых веществом спектральных линий.

4-karkas.jpg

Это чем-то похоже на явление, описанное нами выше в рассказе о линиях-двойниках... Нонет-оба эти явления совсем несходны. Но вот что несомненно общее - и это смогла доказать квантовая механика: расщепление спектральных линий отвечает расщеплению уровней энергии атомных электронов. Итак, электрическое поле, извне наложенное на атом, дробит энергетические уровни его электронов. Действие электрического поля атома, приблизившегося на достаточно малое расстояние к другому атому (при этом поле оказывается весьма внушительным), ничем в сущности не отличается от описанного.

" И действительно, при образовании молекулы уровни энергии, отвечавшие отдельным входящим в нее атомам, исчезают. Дробясь, смешиваясь, сдвигаясь вверх и вниз по шкале энергий, они в результате создают молекулярные уровни энергии. Эти уже отвечают всей молекуле в целом.

Но то, что имеет место для молекулы, еще более четко выражено для кристалла, где в непосредственной близости друг от друга, повторяя эту близость на всем протяжении кристалла, оказываются уже огромные количества атомов. Кристалл - это словно гигантская "застывшая" молекула. Объединенное электрическое поле всех атомов этой "молекулы" расщепляет уровни энергии каждого из них на колоссальное число очень тесно расположенных подуровней. Дискретность, изолированность друг от друга дозволенных уровней энергии электрона практически совершенно исчезают. Электрон в кристалле как будто получает возможность иметь любую энергию.

И тут выяснилось замечательное обстоятельство. Взгляните на рисунок. Сделанное выше заключение о возможности любой энергии электрона в металле как будто выполняется, но с одним существеннейшим исключением.Видите белые полосы между заштрихованными? Так вот, энергий, заключенных в этих полосах, электроны в металле иметь не могут. Этим энергиям отвечает равная нулю волновая функция и соответственно равная нулю вероятность пребывания электрона в таком состоянии. Белые полосы энергии получили название запрещенных зон.

Да и в самих заштрихованных полосах энергии, называемых разрешенными зонами, электрон имеет не любую энергию. Если можно было бы воспроизвести на бумаге и разглядеть истинную картину, то оказалось бы, что и в этих полосах существуют отдельные уровни энергии. Но в каждой полосе их так много (вспомним, что в каждом "кубике" металла содержатся практически неисчислимые полчища электронов), что они сливаются в практически непрерывную последовательность.

А как электроны "сидят" на этих уровнях? Оказывается, не как угодно, не как воробьи на проводах. Это не позволяет принцип Паули - упоминавшийся выше строгий инспектор атомной архитектуры. За расселением электронов в металле он следит так же придирчиво, как и в атоме.

На каждом уровне энергии в разрешенной зоне металла могут находиться только два электрона, заявляет принцип Паули. Места всем хватит, уровней достаточно, даже более чем достаточно. В металле всегда имеется излишек "жилой площади". В нормальных условиях все электроны металла могут поселиться в одной, самой нижней разрешенной зоне, на первом "этаже".

Что находится под ним? А под ним - "подвал", в котором живут необобществленные электроны, принадлежащие отдельным атомам, но не всем атомам металла в целом. Изоляция подвала и первого этажа не абсолютная: между ними имеется лестница. Состоит она только из одной ступеньки, равной по высоте первой запрещенной зоне. Электрон из подвала может взлететь на первый этаж, только если его хорошенько "шлепнуть": застрять в запрещенной зоне из-за недостатка энергии он не имеет права.

Физики назвали энергетический подвал валентной зоной, а все разрешенные полосы энергии объединили под общим наименованием зоны проводимости. Происхождение этих названий нетрудно понять: в подвале живут внешние, определяющие валентность, но еще не свободные электроны, а на первом и более высоких этажах - электроны, участвующие в проводимости электрического тока.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №11  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:16 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Линии-толстяки и линии-двойники

img022.png

Казалось бы, спектроскописты теперь должны были быть удовлетворены. Однако получилось иначе. Техника анализа спектров быстро развивалась, приборы ее становились все сильнее и чувствительнее.

И спектроскописты подсунули физикам-теоретикам два новых хитрых вопроса.

Фотон соответствует линии одной частоты, одной длины волны? Да. Но почему же тогда линии на фотопластинке спектрального прибора не выходят бесконечно узкими, а имеют некоторую, подчас довольно значительную, ширину? До появления квантовой механики физики могли бы ломать головы над этим с виду наивным вопросом десятки лет. Теперь же потребовалось лишь непродолжительное размышление.

Виновником этого обстоятельства оказались опять же волновые свойства электрона с их неизменным атрибутом- соотношениями неопределенностей.

открыть спойлер
Мы уже говорили, что электрон в атоме имеет точно определенную энергию. Так какие же еще могут быть неопределенности? Начальная энергия определенна, конечная - тоже; значит, и их разность, отвечающая энергии фотона, тоже должна быть абсолютно точной величиной! Оказывается, однако, что здесь есть маленькая хитрость. Точные уровни энергии отвечают, как мы помним, стационарным состояниям электронов, то есть состояниям, не меняющимся "вовеки". А что такое электронный прыжок, как не нарушение стационарности? Был электрон в одном состоянии, перепрыгнул в другое - значит, "вечного" состояния уже нет. И тут же вступает в силу соотношение Гейзенберга.

Сколько времени "живет" электрон в атоме спокойно, до очередного прыжка? По-разному. Обозначим это время через Дг. И тогда получается величина неопределенности в энергии фотона: А от нее по формуле Планка для квантов энергии легко перейти к неопределенности в частоте фотона. Она оказывается очень просто связанной с временем "оседлой жизни" электрона в атоме: Иными словами, чем более "оседло" живет электрон в атоме, тем уже спектральные линии, отвечающие его переходам в другие состояния, и наоборот. Именно поэтому при высоких температурах и давлениях, когда многие электроны в атомах ведут поистине "цыганское" существование, спектральные линии оказываются очень толстыми и сильно размытыми.

Второй хитрый вопрос был вызван тем, что многие спектральные линии, отвечавшие, казалось бы, одной длине волны, на поверку оказались состоящими из ряда очень близких друг к другу линий. Такую "тонкую" структуру спектральных линий удалось обнаружить лишь в нашем веке благодаря успехам спектральной техникч.

Выходило, что при электронных прыжках между одними и теми же состояниями могут рождаться фотоны с различающимися, пусть и немного, энергиями! Выходило, что физики только похвастались тем, что могутточ-но определять энергии электронов в атомах.

Физики с негодованием отвергли такое подозрение. Но для этого им пришлось "придумать"... спин. Да, спин был открыт именно благодаря вот этим "тонкостям" в спектрах!

8071-58.jpg

Общее состояние двух электронов с противоположно направленными спинами, о котором мы рассказывали при посещении мастерской "атомного архитектора", оказывается при рождении спектров, однако, слегка "необщим". Здесь мы не имеем возможности рассказать о сложном взаимоотношении обычного момента импульса и спина электрона; кое-что об этом мы скажем ниже.

Пока же отметим, что именно оно и приводит к тому, что энергии электронов оказываются немного различающимися для разных направлений спинов. Это и вызывает раздвоение спектральных линий: вместо одной линии появляется пара линий-близнецов с одинаковыми яркостями.

Правда, такие "двойняшки" рождаются обычно только в тех случаях, когда на внешней электронной оболочке обитает один-единственный электрон. Если же число электронов на этой оболочке растет, то могут рождаться и "тройни", и "четверни", и даже более многочисленные "потомства" бывшей спектральной линии. В атомном мире, в отличие от мира людей, это весьма распространенное явление.Так квантовая механика с честью ответила на два хитрых вопроса спектроскопистов. На этом мы закончим рассказ об атомах. Впереди - знакомство с жизнью атомных "семей" - молекул - и даже с жизнью целых атомных "армий" - кристаллов.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №12  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:18 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Ненормальные атомы


Итак, уже нащупаны два основных принципа постройки и заселения атомных зданий. Это принцип Паули и принцип энергетической выгоды.

А в чем же проявляется волновая природа электронов? Только ли в том, что вместо электронных орбит в атоме существуют заряженные "облака вероятности"? Оказывается, нет. Волны де-Бройля в атоме имеют еще одно замечательное проявление. Они определяют "емкость" атомных построек.

Вспомним, что электронные облака характеризуются тем, что на их протяжении укладывается целое число волн де-Бройля. Оказывается, чтоэто число определяет не только "номер" бывшей орбиты, но и плотность электронного облака, образованного всеми теми электронами, для которых в облаке укладывается одно и то же число их дебройлевских волн.

Такое "объединенное" электронное облако (мы уже догадываемся, что оно состоит из ряда "парных" облаков) физики не очень удачно назвали оболочкой. Квантовая механика установила и соотношение между вместимостью оболочки, то есть наибольшим возможным числом электронов в ней,-N, и "номером" оболочки, то есть числом умещающихся в ней электронных волн,-п. Это соотношение имеет очень простой вид: Так, в первой оболочке (она обозначается латинской буквой Д) могут находиться 2-12=2 электрона, во второй оболочке (обозначается L) 2-22=8 электронов, в третьей (М) 2-Зг= 18 электронов, в четвертой (iV) 2-42=32, в пятой (О) 2-52=50 электронов и так далее.

открыть спойлер
4-nenormal.jpg

Запомним эти числа и вернемся к архитектуре атомов. Мы видим, что первой заселяется самая маленькая и маловместительная /С-оболочка. Ее заполнение заканчивается уже в атоме гелия. Собственно говоря, эта оболочка - один этаж с одной квартирой на двоих.

Следующая оболочка устроена сложнее. Она занимает не только второй этаж, но и три "междуэтажных" квартиры, каждая тоже на двоих. Ее заполнение заканчивается в атоме неона ("типовой проект" 10, или десятая клеточка в периодической таблице Д. И. Менделеева).

Дальше начинается заселение третьей оболочки на 18 жильцов. Вплоть до аргона ( 18) оно происходит, как и в предыдущей оболочке. Сначала заселяется сам третий этаж, а затем три "междуэтажные" проходные квартиры. Но вот в следующем за аргоном атоме калия этот стройный порядок нарушается.

Теперь требуется заселить еще пять "междуэтажных" квартир, но спланированных, однако, по-другому. В отличие от первых трех квартир эти - еще более узкие, вытянутые. И новый жилец отказывается въезжать в такую неудобную квартиру, он требует нормальных жилищных условий.

Ему удается настоять на своем. Архитектор поселяет его в хорошей квартире на четвертом этаже. А чтобы он не скучал в одиночестве, в следующем за калием атоме кальция добавляет к нему еще один электрон.

Вот где в полной мере выступает принцип энергетической выгоды! Дело, конечно, не в привередливости жильца-электрона и податливости архитектора-природы. Дело в том, что поселение электрона на следующем этаже при еще не полностью заселенном предыдущем дает более устойчивый атом, чем при расселении "по закону". Потенциальная энергия отталкивания электронов в таком атоме оказывается меньше.

Но затем, словно спохватившись, природа железной рукой воцаряет прежний порядок в заселении атома. В девяти атомах - от скандия ( 21) до меди ( 29) "новоприбывающие" жильцы поселяются в те самые длинные и узкие неудобные квартиры.

Вот эти-то атомы, в которых уже живут "наверху", а квартиры "внизу" пустуют, благодаря нарушению обычного порядка при их заселении приобрели целый ряд необычных свойств. Их так и назвали "аномальными", или, по-русски, "ненормальными". Нам в путешествии по мастерской "атомного архитектора" встретятся они не раз.

Итак, строго говоря, третья оболочка должна была полностью заселиться у никеля ( 28). Но из-за того, что природа, не заселив полностью одну оболочку, начала заселять другую, оболочки перемешались и третья оболочка заселяется "втихую" до конца под уже начавшей заселяться четвертой оболочкой - у цинка ( 30).

Дальше- не лучше. Как только дело доходит до заселения узких и длинных "междуэтажных" квартир, природа не может устоять перед требованиями электронов и сначала селит парочку жильцов на следующий этаж, в следующую оболочку. И лишь затем, как бы под их показным прикрытием, потихоньку заселяет неудобные квартиры этажом ниже.

Та же история, что в группе от скандия до меди, повторяется в группах атомов от иттрия ( 39) до палладия ( 46), от лантана ( 57) до иттербия ( 70). А дальше уже все атомы вплоть до последнего открытого нобелия ( 102) так и идут с дефектами заселения. У них уже не одна, а две-три оболочки ждут своих жильцов. Ждут, но никогда не дождутся, - по причинам, которые мы изложим в следующей главе.

Нестройно, может показаться, но зато энергетически выгодно. Вот как строит природа.

Так оказывается, что волновой закон, определяющий населенность и порядок заселения атомных зданий, не всесилен. Его часто подправляет не менее важный и сильный закон устойчивости создаваемых природой атомов.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №13  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:19 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Об однообразии в разнообразии

То, что радует глаз, задает работу уму. Как разобраться в сложнейшем сплетении ажурных электронных облаков, как установить, где кончается одно облако и начинается другое? Нам для этого предстоит заглянуть в мастерскую "атомного архитектора"-природы-и понять, как она возводит такие миниатюрные и вместе с тем красивые и прочные здания, как атомы.

Строительный материал, который природа использует для атомов, известен - это электроны и ядра. Известен и цемент, сплачивающий их воедино: это сила притяжения электронов к противоположно заряженному ядру.

И вот мы в мастерской нашего архитектора. Первое, что привлекает внимание, - это огромная, во всю стену, таблица. Вы ее легко узнаете: периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. На сегодняшний день в ней заняты 102 клеточки - известно 102 химических элемента.

По этим ста двум "типовым проектам" природа строит серийным способом мириады атомных зданий во всей Вселенной. Больше сотни "проектов"- это не мало! Но... подождем завидовать атомному разнообразию-оно кажется таким лишь на первый взгляд. Природа строит куда экономнее, чем самый рациональный архитектор.

Прежде всего выясним тот основной принцип, которым руководствуется атомный архитектор, укладывая кирпичи в здание атома. Этот принцип был открыт немецким ученым Вольфгангом Паули в годы возникновения квантовой механики и назван его именем.

открыть спойлер
Он приложим не только к атомам, но и ко многим другим коллективам частиц микромира. Принцип Паули гласит: в любом коллективе микрочастиц вещества каждое состояние с дозволенной энергией может быть занято не более чем одной частицей.

В дальнейшем, правда, выяснилось, что этот принцип не абсолютно универсален, справедлив не для всех видов микрочастиц. Необходимые оговорки мы будем делать по ходу рассказа, а пока укажем, что к электронам, какие бы "коллективы" они ни образовывали, этот принцип приложим всегда.

Здесь электронным "коллективом" является атом. Другой атом - другой "коллектив". Но во всех атомах данного химического элемента электронные семьи похожи одна на другую как две капли воды. (Мы отдаем себе отчет в неудачности этого сравнения. Что там одинаковость капель воды в сравнении с тождественностью двух атомов! Когда-нибудь люди, наверное, будут говорить: они похожи, как пара электронов!)

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №14  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:21 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Облака вместо орбит

Пожалуй, ни одна область физики не знала таких стремительных темпов развития, как квантовая механика. За каких-нибудь пять лет с момента рождения идеиде-Бройля были во всех существенных чертах разработаны методы и математический аппарат квантовой ^механики, получены результаты огромного научного значения и сделаны далеко идущие попытки осмыслить эти результаты.

К 1928 году квантовая механика предстает перед взорами пораженных современников как вполне сложившаяся, зрелая наука, стройная и всесторонне обоснованная не в меньшей мере, чем классическая механика. Но на развитие последней потребовалось более двухсот лет, квантовая же механика создана за пятилетие. Таковы темпы двадцатого века! И как бурный поток, прорвав плотину, спокойно разливается и образует все ширящееся озеро, так и квантовая механика после пятилетней эпохи "бури и натиска" входит в рамки более спокойного развития. Она захватывает в свою сферу все новые и новые группы явлений, овладевая ими и давая им правильное истолкование. И, конечно, первая добыча квантовой механики - атом. С атома началось развитие новой физики Планком и Бором. Им же в первую очередь интересуется квантовая механика.

Прежде всего ей предстоит еще раз пересмотреть, как устроен атом. Бор ввел понятие об электронных орбитах. Это, как мы уже знаем, непоследовательно и попахивает классической физикой. Для квантовой механики понятие орбиты вовсе неприемлемо. Орбита - это по существу траектория движения электрона в атоме, а квантовая механика не без оснований утверждает, что представление о траекториях частиц в микромире бессмысленно.

Чем же заменить орбиты? Только распределениями вероятностей местонахождения электрона в атоме. Нам уже известно, что полная энергия электрона в атоме определяется его расстоянием от ядра. Набор дозволенных энергий отвечает набору дозволенных расстояний от ядра.

открыть спойлер
Но от орбиты как-то не хочется отказываться: уж очень она наглядна. Квантовая механика, снисходя к человеческим слабостям, позволяет это сделать: "Ладно, если вам уж так необходимо, сохраните представление об орбите. Проведите кривую линию через те точки, в которых вероятность пребывания электрона с данной дозволенной энергией является наибольшей. И считайте эту линию вашей орбитой. Но только помните, что электрон - не точка, что его размазывает собственная волна. Поэтому и ваша орбита имеет только условный смысл".

Хорошо, мы и за это благодарны квантовой механике. Проводим орбиты и радуемся стройной системе кривых линий. А снисходительная квантовая механика тем временем добавляет: "Знаете ли вы, чем интересны эти орбиты? Оказывается, все они таковы, что на их длине укладывается ровно целое число электронных волн де-Бройля. На первой, самой близкой к ядру орбите,- одна волна, на второй - две, на третьей - три и так далее".

Это действительно очень интересно и служит для нас новым доказательством "универсальной" сущности волн де-Бройля.

Но квантовая механика не позволяет нам остановиться в созерцании. "Довольно, - говорит она, - понаслаждались наглядными орбитами, и хватит. Забудьте о них - ведь их в действительности не существует. Вместо электрона на орбите вам придется представить себе "облако вероятности". Именно так и изображается электрон в атоме. В тех местах, где вероятность пребывания электрона больше, облако выйдет более густым, в других местах-более прозрачным. Посмотрите на фотографии этих облаков!" Фотографии? Значит, все-таки удалось сфотографировать неуловимые электроны? Но не спешите радоваться: соотношения неопределенностей не обойдешь. Эти фотографии сделаны нес атомов, а со специальных дымовых моделей, внешне похоже изображающих распределение плотности "облаков вероятности" атомных электронов.

На фотографиях видно, что электронные облака имеют различную форму. Одни из них шарообразны, другие вытянуты и похожи на сигары. Это разнообразие связано с тем, что энергии электронов в атомах зависят не только от их расстояния до ядра.

Впрочем, для самого простого из атомов - атома водорода - это действительно так. В этом атоме один-единственный электрон находится в поле своего ядра. Взаимодействие.между ними - это взаимодействие двух одинаково по величине и противоположно по знаку заряженных частиц.

Как мы знаем, такое взаимодействие описывается законом Кулона. Энергия этого взаимодействия зависит только от расстояния между электроном и ядром. Отсюда и понятно, почему облако электрона в атоме водорода имеет форму оболочки шара: ведь точки поверхности шара все находятся на одном и том же расстоянии от центра шара - в данном случае ядра. Все точки электронного облака отвечают поэтому одинаковой энергии электрона.

Но когда в атоме появляются дополнительные электроны, картина их электрических взаимодействий друг с другом и с ядром утрачивает такой "примитивный" вид, как в атоме водорода. Ведь электроны теперь не только притягиваются к ядру, но и отталкиваются друг от друга.

Разумеется, в многоэлектронной семье, какой является сложный атом, все электроны, хотя и враждуют друг с другом, все же питают неодолимую любовь к центру семьи - ядру. Природа мудро играет на этих взаимоотношениях и быстро наводит твердый порядок в атомных семьях.

Как выглядит этот порядок, мы и можем сейчас видеть на приведенных фотографиях. Облака электронов значительно усложняют свою форму, проникают друг в друга. Возникает ажурное их переплетение. Если эту картину можно было бы изобразить объемно, да еще подкрасить в разные цвета, мы бы ахнули от ее удивительной переливчатой красоты!Далеко до нее разлинованной картинке электронных орбит!

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №15  СообщениеДобавлено: 06 мар 2014, 13:22 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Полезная грязь

Грязь - это не только некрасиво, но и вредно для здоровья. А с другой стороны, сколько людей лечится грязью, только иного состава! Уже этот простой пример показывает, что грязь "случайная" почти всегда вредна, а грязь "определенная" и притом в строго определенных дозах - полезна.

Полупроводники "пачкаются" тоже легко - они ведь существуют на свете не одни. На кристаллах полупроводниковых веществ оседают, потом проникают в них самые разнообразные атомы "грязи" - примесей. И эти примеси, если они случайны, - а они как правило случайны, - вредны для технических применений полупроводников. Природа ведь не имела заранее в виду, что полупроводники понадобятся людям! Но зато некоторые примеси, в строго дозированных количествах, очень полезны. Именно с них начинаются чудеса, на которые способны полупроводники.

Что полезно одному, то вредно другому. Если желательно иметь металл с высокой электропроводностью, то ему вредны любые примеси.

Мы уже знаем причину этого. Атомы примеси, внедрившись в кристаллическую решетку металла, искажают ее. Эти искажения сильно рассеивают волны электронов, переносящих ток. В результате электропроводность металла уменьшается, а сопротивление растет.

Но эти самые искажения решетки - ключ успеха полупроводников. Дело в том, что строение энергетических зон к-ристалла исключительно чувствительно к виду кристаллической решетки. Другой кристалл - другая система зон энергии.

открыть спойлер
Внедрившиеся атомы примеси меняют, однако, вид не всей кристаллической решетки, а лишь отдельных ее участков, примыкающих к атомам примеси. Зонная картина, общая для всего кристалла, в этих участках существенно видоизменяется. А именно: в запрещенной полосе, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, появляются дополнительные уровни энергии, разрешенные для электронов.

Эти уровни возникают, однако, только там, где есть атомы примеси. Чтобы отличить их от уровней, существующих во всем кристалле полупроводника, их назвали местными или локальными уровнями.

Таких уровней, как правило, в каждом месте небольшое число, но они очень важны. Ведь тогда очень широкая ступенька, отделяющая подвал от первого этажа, заменяется рядом ступенек. Теперь электрон не обязан перемахнуть через запрещенную зону в один прием. Он может идти по ступенькам, подолгу отдыхать на каждой из них, набираясь сил для следующего шага.

Понятно, что при обычных температурах, когда передаваемая электронам энергия невелика, такие пологие и удобные лесенки для них самым решительным образом влияют на переселение электронов из подвала. Но сколько таких лесенок? Очевидно, столько же, сколько атомов примеси в кристалле.

Значит, меняя число этих атомов, можно регулировать электропроводность полупроводников! В этом и состоит их замечательная особенность.

В металле количество примесей тоже влияет на электропроводность, но всегда в одном направлении: чем больше примесей, тем она ниже. При этом пределы ее изменения сравнительно невелики. В полупроводниках же электропроводность можно менять не только числом, но и родом атомов примеси, причем во многие тысячи и миллионы раз!

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 17 ]  На страницу 1, 2  След.

Текущее время: 12 дек 2017, 17:44

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1

Вы не можете начинать темыВы не можете отвечать на сообщенияВы не можете редактировать свои сообщенияВы не можете удалять свои сообщенияВы не можете добавлять вложения
Перейти: