naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru
 
Поиск по сайту
 

Твердое тело. Часть первая. Кристалл


репетитор,гдз,преподователь,учитель
Междусловие К содержанию Твердое тело. Часть вторая. Энергетические уровни
Page copy protected against web site content infringement by Copyscape

Как известно, все окружающие тела бывают твердые, жидкие и газообразные. У многих твердых тел атомы располагаются всегда в определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. Тогда и сами твердые тела называют кристаллическими. На рисунке ниже показано, как располагаются атомы в одном из самых простых кристаллов - в кристалле поваренной соли (NaCl). Бывают, конечно же, кристаллы более сложной структуры, например, снежинки.


Кристалл поваренной соли

Рис. 1 - Кристалл поваренной соли

Особенно кристаллы нас не интересуют. Важно то, что в кристалле атомы расположены очень близко друг к другу и каждый атом, а точнее, каждое атомное ядро находится на своем месте и с этого места никуда не уходит. Весь кристалл - это как бы одна большая молекула, будь его размеры хоть в полметра. Атомы удерживаются на своих местах, или по-научному, в узлах кристаллической решетки за счет ковалентных или ионных связей. Это мы уже выяснили на предыдущих страницах. Электроны, у которых энергия связи побольше, или у тех, которые поближе к ядру расположены (это одно и то же), держатся каждый около своего атома. А у которых энергия связи поменьше, те вообще ничьи.

Другими словами, твердое тело - это система, состоящая из множества атомов. Если бы все эти атомы находились на больших расстояниях друг от друга, у всей системы была бы некоторая определенная энергия. Если же атомы сближать, полная энергия системы становится меньше. Очень хороший пример - водяной пар. Атомы воды в водяном паре расположены друг от друга на относительно больших расстояниях. Когда система "водяной пар" охлаждается, а это означает, что энергия системы уменьшается, атомы приближаются друг к другу. Получается жидкость. Если же еще уменьшать энергию, т.е. охлаждать, вода замерзает, образуя кристаллики льда. Кристалл - это такое состояние системы, в котором ее собственная энергия имеет минимальное значение.

Энергия системы, состоящей из атомов - это энергия их электромагнитного поля. Электромагнитное поле занимает все промежутки между атомными ядрами, оно не дает ядрам ни приблизиться, ни отдалиться друг от друга. Можно сказать и другими словами. Электроны занимают все пространство между атомными ядрами, и именно потому, что они занимают большое пространство, их энергия мала. А можно сказать, что атомы обмениваются электронами.

Короче говоря, каждый электрон оказывается общим для всех атомов кристалла. Электроны размешаны в межатомном электромагнитном поле, как сахар в чае. В каждой точке кристалла (исключая точки внутри атомных ядер) существует напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля. Раз есть напряженность электрического и магнитного полей, значит с каждой точкой пространства внутри кристалла можно связать определенное значение количества движения и определенное значение энергии. Сумма отрицательных электрических зарядов всех электронов кристалла равна сумме положительных электрических зарядов всех атомных ядер. Поэтому твердое тело электрически нейтрально.

Если смотреть на кристалл извне, то электронов вроде как и нет. Поскольку кристалл в целом электрически нейтрален, то на некотором расстоянии от его границ не обнаруживается даже электромагнитного поля. Если залезть внутрь кристалла, то там тоже электронов вроде бы нет. Есть электромагнитное поле. В одной точке напряженность электрической составляющей этого поля сильнее, в другой - слабее. Но сказать с уверенностью, что в какой-то точке напряженность электрического поля такова, потому что поблизости от этой точки находится данный электрон, нельзя. Электрическое поле в любой точке представляет собой сумму электрических полей всех электронов кристалла. Как если смотреть сквозь стакан с чаем на свет, невозможно определить, есть там сахар, или нет. Но узнать об этом очень просто, достаточно попробовать чай на вкус. Точно также и с твердым телом. Чтобы узнать, есть там электроны, достаточно попробовать запустить туда один единственный электрон. Здесь справедливы все рассуждения применительно к отдельным молекулам.

Кристалл - это как бы одна огромная молекула. Каждый электрон в нем находится в определенном состоянии, т.е. обладает некоторой энергией. При этом в одном и том же состоянии не могут находиться, согласно принципу запрета Паули, больше двух электронов и то при условии, что их спины направлены в противоположные стороны. Когда электрон попадает в электромагнитное поле кристалла, сам он как бы растворяется, но передает полю свой импульс и свой спин. И то, и другое сохраняется полем в полном соответствии с законами сохранения.

Если попробовать затолкать в кристалл еще один электрон, то все будет зависеть от того, какая у этого электрона энергия. Если в кристалле уже есть электрон с такой точно энергией, то затолкать электрон-чужака удастся только в том случае, если его спин направлен в противоположную сторону, а вот если в кристалле уже имеются два электрона с такой энергией, то затолкать электрон-чужака просто не получится.

Другими словами, в кристалле каждый электрон имеет свое место. Только оно определяется не его положением в пространстве (в кристалле каждый электрон присутствует везде), а именно энергией. Вспомните эту страницу, как мы строили молекулу водорода - постепенно приближали друг к другу два атома водорода. По мере сближения полная энергия системы, состоящей из двух протонов и двух электронов, постепенно уменьшалась, пока не наступил такой момент, когда полная энергия системы принимала свое минимальное значение и при дальнейшем сближении стала бы увеличиваться. Оба электрона при этом также принимали какое-то значение энергии. Эти-то значения энергии и определяют место электрона в молекуле водорода. Причем у обоих электронов в молекуле водорода одно и то же значение энергии. Так получается потому, что два электрона с противоположными спинами как бы не замечают друг друга и могут занимать одно и то же место.

Теперь представьте, что к молекуле водорода вы приближаете еще один атом того же самого водорода. Энергия системы, состоящей из молекулы водорода и одного отдельного атома водорода, имеет определенное значение, которое, очевидно, равно сумме полной энергии молекулы и энергии отдельного атома. По мере приближения атома к молекуле полная энергия системы будет уменьшаться. Причина уменьшения та же самая: начиная с определенного момента, электрон, который раньше принадлежал одному только атому, становится общим для трех атомов.

Если рассматривать систему, состоящую из трех протонов и двух электронов, то ее потенциальная энергия, конечно, отличается от потенциальной энергии системы, состоящей из двух протонов и двух электронов. Поэтому и кинетическая энергия третьего электрона должна быть иной, чем у электронов в молекуле из двух атомов. В системе, состоящей из трех атомов водорода, появляется дополнительное свободное место, определяемое значениями энергии и импульса, которое и занимает третий электрон. Заметим, что направление спина третьего электрона безразлично, поскольку по сравнению с первыми двумя третий электрон находится в ином энергетическом состоянии, т.е. занимает иное место.

Кроме того, энергия связи в системе из трех, четырех и более атомов значительно меньше энергии связи двухатомных систем. Поэтому многоатомные системы (кристаллы) могут существовать лишь при относительно низких температурах. В случае водорода - это температуры, близкие к абсолютному нулю, в случае воды - это температуры ниже нуля по Цельсию. При повышении температуры кристалл распадается на двухатомные молекулы.

Следует понимать, что слова "занять место" - это не как для вас занять место в удобном кресле, т.е. другими словами, определенное место в пространстве. Для электрона занять место - это значит приобрести состояние с определенным значением энергии. При этом в пространстве он присутствует повсюду внутри кристалла. Повсюду потому, что его электромагнитное поле складывается с электромагнитными полями других электронов и атомных ядер и невозможно провести границу, отделяющую один электрон от всех остальных.

Итак, в системе, состоящей из трех атомов водорода, у электронов есть два значения энергии (два места), которые они могут занимать. Место, соответствующее меньшему значению энергии, занято целиком, на нем сидят два электрона с противоположными спинами, а место, соответствующее большему значению энергии, занято наполовину. Если к уже образованной системе приблизить четвертый атом водорода, то образуется система из четырех атомов с двумя местами, полностью занятыми электронами. Это понятно без лишних рассуждений.

Добавляя к уже построенной системе пятый, шестой, десятый, семьдесят восьмой, сто тридцать второй и так далее атомы, каждая пара новых атомов, присоединяясь к уже построенной системе, будет создавать одно дополнительное место для двух электронов. Общее число таких мест равно числу атомов в кристалле, поделенному пополам. Каждое место занято двумя электронами с противоположно направленными спинами.

Повторимся, пространство кристалла заполнено электромагнитным полем, получающимся в результате сложения электромагнитных полей всех электронов, и при этом каждый отдельный электрон все-таки занимает свое место, т.е. обладает своим определенным значением энергии.

Page copy protected against web site content infringement by Copyscape
Междусловие К содержанию Твердое тело. Часть вторая. Энергетические уровни
репетитор,гдз,преподователь,учитель
Новости:




 

copyright © 2003-2017 naf-st.ru, info@naf-st.ru
При полном, либо частичном цитировании материалов сайта naf-st.ru ссылка (для интернет изданий гиперссылка) обязательна!!! Будьте взаимовежливы!

Хостинг «Джино»
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь