Движение свободных электронов в газах

Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование наблюдаемой на опыте зависимости между теплопроводностью и электропроводностью. Был объяснен ряд термоэлектрических явлений. Правда, возникли расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями теплоемкости металлов. Согласно классическому закону равнораспределения энергии электронный газ должен давать вклад в теплоемкость металла, равный 3/2 Я а а 1 моль свободных электронов (если металл одновалентный, это вклад на 1 моль вещества). Однако экспериментально установлено, что вклад электронов в теплоемкость практически равен нулю. Это противоречие нашло объяснение наос- [c.183]

Статистика Ферми. Так же, как свободные кванты света, не подчиняются обычной классической статистике и свободные электроны. Это объясняет неудачи, которые до последнего времени постигали все попытки дать количественную теорию металлической проводимости, зависящей безусловно от движения свободных электронов внутри металла (см. 191, т. I), и попытки дать теории других аналогичных электронных явлений. Ферми (1926) показал, что для электронного газа надо применять также статистику Бозе-Эйнштейн а, однако дополненную принципом П а у л и (т. I, 80), согласно которому в одной и той же системе не может быть двух электронов, находящихся одновременно в одном и том же квантовом состоянии (характеризующемся одной и той же совокупностью четырех квантовых чисел). Это ограничение дает новое видоизменение выражения (194) для вероятности и вводит во все окончатеАные зависимости множитель [c.144]

Если на электроды камеры подать напряжение, то в результате движения свободных электронов и ионов, создаваемых при ионизации газа, в камере возникает электрический ток. Этот ток между электродами камеры может быть измерен (рис. 28). Сила тока будет зависеть только от сечения ионизации молекул газа, если напряженность электрического поля исключает возможность как рекомбинации ионов с электронами, так и ионизации [c.137]

Теплопроводность. При передаче тепла через различные среды имеют место три вида переноса энергии движением свободных электронов (в проводниках), передачей энергии путем колебаний атомов кристаллической решетки — движением фононов (в диэлектриках) и движением молекул (в газах и жидкостях). При этом одновременно могут иметь место различные виды теплопроводности. Теплопроводность удобно анализировать, исходя из выражения, даваемого молекулярно-кинетической теорией газов [c.183]

Проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, образующих так называемый электронный газ в металле. По этой причине металлическую проводимость часто называют электронной проводимостью. [c.5]

Математически строгое и физически безупречное решение задачи о нахождении истинной функции распределения по энергиям электронов в металле в настоящий момент невозможно. Поэтому обычно речь идет о приближенном ее решении методом теории возмущений. Одним пз способов решения поставленной задачи является рассмотрение движения свободных электронов о учетом периодического поля решетки в качестве фактора, ограничивающего свободу перемещения электронного газа в металле. Этот способ решения задачи называется приближением полусвободных электронов [2]. В противоположность этому, так называемое атомное приближение к решению задачи исходит из состояния электронов в изолированном атоме. При этом считается, что объединение атомов в кристаллическую решетку металла ведет к ослаблению связи электронов с каждым из атомов, к их некоторому обобществлению . [c.13]

ДВИЖЕНИЕ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ГАЗАХ [c.100]

Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование [c.206]

Рассмотрим взаимодействие плоской электромагнитной волны частоты 0J с газом свободных электронов металла. В отсутствие столкновений уравнение движения свободного электрона в электрическом поле имеет вид [c.218]

Металлы и сплавы. В металлах основным передатчиком теплоты являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений атомов нлн. в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. Вследствие движения свободных электронов происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или охлаждающегося металла. Свободные электроны движутся как из областей, более нагретых, в области, менее нагретые, так и в обратном направлении. [c.15]

Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового движения атомов и молекул между соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным образом в результате диффузии свободных электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией. [c.149]

Действие электрофильтра основано на ионизации газа, т. е. расщеплении его молекул на положительно и отрицательно заряженные ионы. Газ можно ионизировать в пространстве между двумя электродами, к которым подведен электрический ток. Под действием электрического поля в газе образуются ионы и свободные электроны, благодаря движению которых через газ начинает протекать ток. [c.339]

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла. [c.260]

Поведение совокупности частиц во внешнем поле существе,иным образом зависит от того, в какой мере потенциал изменяется в зависимости от координат точки наблюдения и от конфигурации системы. Условие идеальности газа (УИ1.2) будет приближенно выполнено, если изменения потенциальной энергии частицы при движении ее в поле, создаваемом окружением, незначительны по сравнению с величиной средней кинетической энергии частицы. Как мы покажем позднее ( 5), средняя кинетическая энергия свободных электронов в металле даже при Т = О очень велика. В то же время колебания электрического поля в металле сглажены благодаря тому, что кулоновские силы являются дальнодействующими и ]//-), электрон сильно взаимодействует не только с ионом, вблизи которого он находится, но и со многими другими. Это и позволяет электронный газ считать приближенно идеальным. [c.184]

Теплопроводность представляет собой перенос энергии в форме тепла вследствие беспорядочного (теплового) перемещения непосредственно соприкасающихся друг с другом микрочастиц движение собственно молекул (газы, капельные жидкости), либо колебание атомов (кристаллические решетки твердых тел), или диффузия свободных электронов (металлы). [c.170]

Пусть имеется электронный газ, состоящий из свободных молекул (рис. 8). Варианты их движения, а, следовательно, и энергии, различны. Поэтому их распределение по энергиям также различно. [c.19]

Случай А. Давление газа настолько мало и частота переменного поля разряда настолько велика, что столкновениями электронов с частицами газа за время одного периода изменения поля можно пренебречь. Несложное рещение уравнения движения электрона показывает, что в этом случае движение электрона складывается из поступательного и колебательного движений, причём величина и направление скорости поступательной слагающей зависят от фазы со о переменного поля = оз1по) в момент начала движения свободного электрона. Интегрирование уравнения движения электрона для этого случая даёт [c.658]

Валентные электроны, отделившиеся от атомов металлов и оставившие в узлах решетки соответствующие атомные остовы (катионы), более или менее свободно перемещаются в пространстве между катионами и обусловливают металлическую электрическую проводимость металлов. По аналогии с молекулами газообразного вещества, совершающими хаотическое движение, подвижные электроны рассматривают как электронный газ в металле. [c.144]

Положительно заряженные ионы воздуха быстро достигают отрицательного проволочного электрода и нейтрализуют на нем свой заряд. Электроны двигаются в направлении силовых линий электрического поля к положительному трубчатому электроду. Вдоль оси трубы перемещается запыленный газ, и свободные электроны, двигаясь поперек потока газа, сталкиваются с частицами (как правило, состоящими из какого-либо диэлектрического вещества) и заряжают их поверхностным отрицательным зарядом. Получившие отрицательный заряд частицы начинают относительно медленно перемещаться вдоль силовых линий поля к положительному трубчатому электроду. Такое движение называют электростатическим осаждением пыли на внутреннюю поверхность вертикальной трубы. Отдав свой отрицательный заряд стальной трубе, частицы под действием силы тяжести перемещаются вниз вдоль внутренней стенки трубы, где собираются в коническом днище и выгружаются через секторный затвор. [c.203]

Слабый парамагнетизм металлов в твердом, кристаллическом состоянии отличается от парамагнетизма ионов не только своей малой величиной (всего 1—2% боровского магнетона), но и тем, что он практически не зависит от температуры. Это можно объяснить при помощи предположения, которое было сделано и для объяснения электропроводности металлов. Оно заключается в том, что свободные электроны образуют в металле электронный газ, причем атомы металла не принимают участия в движении. [c.159]

Развитие теории теплообмена не может протекать без знания законов строения молекул, атомов и других частиц, а также без знания сил взаимодействия между этими частицами. В разреженной среде нельзя ограничиваться рассмотрением только процессов теплообмена между нейтральными молекулами и их комплексами, а надо учитывать это явление в совокупности с процессом образования ионизированных, частиц, со свободными электронами, квантами (фотонами) энергии и многими другими элементарными частицами. Из анализа ассоциированного комплекса можно непосредственно определить различные дискретные энергетические состояния молекул газа и на основе этого сделать выводы относительно роли колебания и вращения ядер в молекуле при образовании комплекса из молекул пара и газа. Зная общую колебательную и вращательную энергии, а также энергию движения электронов в молекуле на различных уровнях, можно определить силы, действующие при образовании комплексов. [c.4]

Пламенно-ионизационный детектор. Как известно, газы при обычных условиях не проводят ток. Если же под воздействием, например, пламени или радиоактивного излучения в газе образуются ионы, радикалы или свободные электроны, то даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. На этом и основано действие пламенно-ионизационного детектора [28]. Схема одного из пламенно-ионизационных детекторов приведена на рис. 111,10. Элюат смешивают с водородом и подают к соплу горелки 5 (к горелке поступает также очищенный воздух). Горение происходит между двумя электродами (иногда одним из них может служить сопло горелки). На электроды подается напряжение 90—300 В. Под действием этого напряжения движение ионов упорядочивается, возникает ионный ток, который через усилитель попадает к регистратору. [c.173]

Магнитный электроразрядный манометрический преобразователь представляет двухэлектродную систему— анод н холодный катод (катод в виде двух параллельных пластин, находящихся между полюсами магнита). Для создания самостоятельного разряда на преобразователь подается высокое напряжение (единицы киловольт) через ограничительный резистор, имеющий сопротивление величиной 10 —10 Ом. Магнитное поле служит для увеличения пути свободного электрона, движущегося под действием электрического поля в результате сложной траектории движения. По пути электроны, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. При бомбардировке катода ионами возникает вторичная эмиссия. Возрастание тока приводит к уменьшению разности напряжений на электродах за счет увеличенного падения напряжения на ограничительном резисторе. Устанавливается динамическое равновесие, при котором число зарядов, образующихся в объеме преобразователя в единицу времени, равно электрическому току во внешней цепи. Ток разряда при постоянном напряжении и постоянном магнитном поле определяется только давлением. Пределы измерения, определяемые зависимостью разрядного тока от давления (эта зависимость является функцией напряженности магнитного поля и приложенной разности потенциалов, конструктивных особенностей и размеров электродов), достигнутые в настоящее время, составляют 10 —10" Н/м . Благодаря непостоянству [c.177]

Под действием электрического поля образуются ионы и свободные электроны, которые приходят в движение, вследствие чего через газ начинает протекать ток. [c.40]

В узлах металлической пространственной решетки расположены атомы и положительные ионы металла, а между ними — свободные электроны ( электронный газ ). При появлении разности потенциалов последние приобретают направленное движение. Металлы отличаются пластичностью, хорошей электропроводностью и теплопроводностью, металлическим блеском (в компактном состоянии). [c.65]

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором концентрации пространственных зарядов, созданных положительно и отрицательно заряженными частицами, одинаковы или почти одинаковы. Частично ионизированный газ называют плазмой в том случае, если концентрация электрически заряженных частиц в нем достаточно велика и пространственный заряд оказывает существенное влияние на движение заряженных частиц. Плазма, состоящая только из электронов, положительно заряженных ионов и атомов какого-либо элемента, называется простой. Свободные электроны являются составной частью всех видов плазмы. [c.246]

Свободные электроны находятся в непрерывном хаотическом движении, т. е. движутся беспорядочно, их часто называют электронным газом. Ионы при столкновении с электронами на некоторое время могут превращаться в нейтральные атомы. [c.390]

Существует ряд доводов в пользу представления о том, что валентные электроны в металлах при обычных условиях движутся по всему объему металла так же, как молекулы газа движутся в объеме сосуда. Если теплопроводность металлов обусловлена движением свободных электронов, то пз только что выведенных формул можно получить следующее выражение для коэффициента теплопроводпостн [c.60]

Проблема связи геометрии сопряженных систем с их электронными спектрами впервые теоретически исследовалась Муллике-ном в дальнейшем было сделано много попыток уточнить полученные результаты с помощью различных вариантов метода молекулярных орбит. Все эти расчеты основывались на идеальной модели, в которой ненасыщенные электроны двигались в электрическом поле, создаваемом атомами заместителей такое приближение в пределе представляет собой свободный электронный газ в. однородном потенциальном поле (Bayliss). Поглощение вызывает движение электронов вдоль оси системы длина волны и интенсивность зависят от числа (п) подвижных электронов и эффективной длины пути электронного колебания I). Для выражения зависимости между X и s предлагались различные функции, например для простейших моделей [см. ссылки на стр. 387 (Л)] 1 и е —при малых значениях п. Отсюда видно, что X—функция, значительно менее чувствительная к изменению I по сравнению с е но чем длиннее система, тем меньше энергетический скачок и тем больше вероятность перехода. Согласие с опытом здесь качественное, но не количественное (см. табл. 1) мы видим, чта [c.335]

Развитие вакуумной электроники, основанное на использовании движения свободных электронов и ионов в вакууме или в разреженных газах под действием электрических и магнитных полей, позволило создать вакуумные генераторы и усилители электромагнитных колебаний в широчайшем спектре частот, а также приборы, преобразующие тепловую, световую и механическую энергию в электрическую. Все разновидности радиосвязи, телевидения, радиолокации, навигации, системы управления ракетами, космическими кораблями и другими объектами, радиоастрономия, электронно-вычислительные и управляющие машины, промышленная электроника базируются на применении электровакуумных приборов. Функции, выполняемые электровакуумными приборами, весьма разнообразны. [c.5]

Модель свободного электронного газа получила дальнейщее развитие на основе квантовой механики. Рассмотрим поведение газа свободных электронов, находящихся в гипотетическом одномерном кристалле , учитывая принпипы квантовой механики. Движение электрона массы то ограничено в этом случае прямой длины Ь, в начале и конпе которой находятся потенпиальные барьеры бесконечной высоты. Волновая функпия и энергетические уровни [c.193]

Так как эффективная масса т зависит от е и рх, то, естественно, она различна для различных электронов проводимости. Поэтому в отличие от газа свободных электронов газ электронов проводимости не вращается в магнитном поле с общей для всех электронов частотой. Разные электроны совершают различные периодические движения, Те электроны, которые движутся по открытым траекториям в плоскости, перпет дикулярной магнитному полю (в пространстве импульсов), совершают инфинитное движение. [c.50]

Для описания металлической связи часто используют модель свободного электрона . Согласно этой модели в узлах кристаллической решетки металла находятся положительно заряженные ионы металла, погруженные в электронный газ из нелокализо-ванных валентных электронов атомов, участвующих в образовании кристалла. Устойчивость кристалла обеспечивается силами притяжения между положительно заряженными ионами и электронным газом. Движение электронного газа подчиняется классическим законам перемещения частиц идеального газа. [c.23]

Помимо изложенного выше, существуют два других представ ения о внутрен-аем строении металлов. Согласно одному из них. ионизированы все атомы металла, т. е. последний построен только из положительных ионов и свободных электронов. По другому представлению металл считается состоящим из нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов данного элемента, т. е. свободные электроны из рассмотрения исключаются. Строение металла с этой безэлектронной точки зрения передается схемой рис. П1-62. Так как между отдельными атомами возможен постоянный обмен состояниями (обусловленный обменом электронами), хорошая электроиро-водность металлов и их механическая деформируемость этому представлению не противоречат. Однако общность оптических свойств металлов говорит за наличие в иих электронного газа . Средняя скорость движения электронов в этом газе составляет около 100 км1сек, т. е. она примерно в двести раз выше средних скоростей теплового движения молекул в воздухе. [c.111]

Дуговой разряд по длине можно подразделить на три области среднюю—столб дуги, прикатодную и прианод-ную области В столбе дуги потенциал растет линейно по направлению от одного конца к другому в приэлект-родных областях, протяженность которых весьма мала (порядка 10 = см), он изменяется скачком. Между тем-эти приэлектродные области, в первую очередь прика-тодная, образуют те потоки заряженных частиц, которые в столбе дуги ионизируют газ. Под действием бомбардирующих катод ионов он разогревается и находящиеся в нем, как во всяком металле, свободные электроны получают такие скорости теплового движения, что оказываются в состоянии преодолеть потенциальный барьер у поверхности катода и ВЫЙТИ В дуговой промежуток, где они ускоряются электрическим полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизируют их толчком. Такая термоэлектронная эмиссия требует высокой температуры катода (более 2000 К), поэтому она возможна лишь тогда, когда катод выполнен из тугоплавкого материала. Катод из менее тугоплавкого материала интенсивно испаряется, и электроны выходят из окружающего катод раскаленного облака пара. [c.182]

Осаждение дисперсных твердых и жидких частиц в электрическом поле (электроосаждение) позволяет эффективно очистить газ от очень мелких частиц. Оно основано на ионизации молекул газа электрическим разрядом. Если газ, содержащий свободные заряды (электроны и ионы), поместить между двумя электродами, создающими постоянное электрическое поле, то свободные заряды начнут двигаться по силовым линиям поля. Скорость движения и кинетическая энергия будут определяться напряженностью электрического поля. При повышении разности потенциалов до нескольких десятков киловольт кинетическая энергия ионов и электронов становится достаточной для того, чтобы они сталкивались с нейтральными газовыми молекулами, расщепляли их на ионы и свободные электроны. Вновь образовавшиеся заряды при своем движении также ионизирзтот газ. В результате образование ионов происходит лавинообразно, газ полностью ионизируется. Такую ионизацию называют ударной. При этом возникают условия для электрического разряда. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля возможны электрический пробой и короткое замыкание электродов. Чтобы избежать этого, создают неоднородное электрическое поле один электрод делают в виде проволоки, а другой-в виде охватывающей ее трубы или расположенной рядом пластины (рис. 10-11). [c.226]

Одним из достоинств плотномера является простота количественных расчетов по полученным хроматограммам (см. гл. 6 и 11). Однако по чувствительности плотномер, как и катарометр, значительно уступает детекторам ионизационного типа. Пламенно-ионизационный детектор [137, 138]. Как известно, газы при обычных условиях не проводят ток. Если же под действием, например, пламени или радиоактивного излучения в газе образуются ионы, радикалы пли свободные электроны, то далее при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. Принцип работы пламенно-ионизационного детектора основан на ионизации, происходящей при сгорании за счет энергии окисления углерода. Схема детектора приведена на рис, 3.9. Элюат смешивается с водородом и поступает к соплу горелки 1, куда подается также очищенный воздух. Горение происходит между двумя электродами (иногда потенциальным электродом может служить сопло юрелки, тогда коллекторный электрод имеет цилиндрическую форму). На электроды подается напряжение 90—300 В, под действием этого напряжения движение ионов упорядочивается, возникает ионный ток, который регистрируется. [c.158]