Металлы зонная теория

Зонная теория (электронная модель металла) [c.140]

Для описания металлической связи как единого коллектива взаимодействующих частиц в твердом теле применяют зонную теорию кристаллов. В основу зонной теории проводимости металлов, а также других кристаллических тел (см, 5.10) положены по существу два принципиальных вывода из квантово-мехаиических представлений энергия электронов в металле (твердом теле) может принимать только дискретные значения распределение электронов по уровням энергии подчиняется квантовой статистике Ферми — Дирака, удовлетворяющей принципу Паули. [c.122]

Зонная теория объясняет электропроводность металлов та к у проводников верхняя зона только частично заполнена электронами (рис. П1.34, а). Оставшаяся свободной часть представляет собой зону проводимости, куда переходят при наложении электрического поля электроны, образуя ток электричества. При нагревании возрастает возбуждение электронов, заполняются уровни в зоне проводимости, и электропроводность падает. Кроме того, с ростом температуры усиливаются тепловые колебания атомов металла и препятствуют направленному перемещению электронов. [c.202]

Твердые фазы немолекулярной структуры представляют собой твердые тела с координационной структурой (металлы, полупроводники и диэлектрики). Химическая связь в них имеет свои особенности и описывается с позиций так называемой зонной теории. Для металлов зонной теории предшествовала модель свободных электронов. [c.129]

Зонная теория наиболее полно раскрывает различные свойства металлических и полупроводниковых кристаллов и хорошо описывает электрическую проводимость металлов. Учет волновой природы электрона приводит к выводу о том, что всякое нарушение симметрии расположения атомов в металлическом кристалле должно привести к понижению электрической проводимости. Такое нарушение симметрии, искажение периодичности кристаллической решетки может достигаться увеличением температуры (из-за усиления колебательного движения атомов), добавками легирующих элементов, механической обработкой металла (ковка, протяжка и т. д.). [c.340]

Согласно зонной теории в случае металлов из-за малого количества электронов на наружных орбиталях зона проводимости и валентная зона накладываются. Поскольку атомные орбитали (или зоны) не полностью заполнены электронами, они легко разрушаются для возбуждения электронов с переходом их в зону проводимости не нужны сколько-нибудь значительные энергетические затраты. Напротив, в случае полупроводников, и особенно изоляторов, АО и МО почти заполнены электронами или даже полностью завершены. Это делает такие орбитали очень прочными. Отрыв электронов с перемещением их в зону проводимости требует в таких случаях (это, как правило, соединения элементов-неметаллов) существенной затраты энергии. [c.253]

Так, кристаллическое строение металлов больших периодов может быть связано со строением внешних электронных оболочек. Число электронов, переходящих в электронный газ, определяет электронную концентрацию данной металлической структуры и строение внешней оболочки иона. Ненаправленное взаимодействие образовавшихся ионов с коллективизированными электронами обусловливает главную металлическую компоненту межатомной связи в металлах. Чем выше концентрация электронного газа и чем меньше размеры ионов, тем выше энергия металлической связи. Внешние валентные электроны в металлах коллективизированы и не образуют гибридных пар. В металлах с кубическими плотными упаковками направленных связей вообще не существует. Такие связи появляются только в результате обменного взаимодействия внешних оболочек ионов, когда они сближаются вследствие взаимодействия ионов с электронным газом и перекрываются. Обменная компонента связи ионов с внешними р - или ( -оболочками обусловливает существование объемноцентрированной кубической структуры. Такая концепция заключает в себе достоинства модели свободных электронов и зонной модели, а вместе с тем представляет распространение квантовой теории валентности на область металлического состояния, позволяя из электронного строения оболочек ионов полз ить определенные данные о кристаллической структуре металлов. Зонная теория металлов, в которой при построении зон Бриллюэна исходят из заранее заданного типа решетки кристалла, позволяет успешно вычислять целый ряд электронных, магнитных и других свойств металлов и сплавов эта теория остается справедливой. [c.229]

Свойства металлов и ковалентных каркасных кристаллов можно интерпретировать в рамках представлений о делокализованных молекулярных орбиталях, рассматривая весь исследуемый объем вещества как одну гигантскую молекулу . Основанная на таких представлениях зонная теория позволяет объяснить многие наблюдаемые свойства проводников, полупроводников и диэлектриков (изоляторов). [c.640]

При подготовке 4-го издания книга не подверглась значительному изменению. В некоторой степени переработано изложение материала, относящегося к природе химической связи в молекулах и кристаллах, рассмотрена донорно-акцепторная связь. Дополнен материал, относящийся к свойствам твердых тел, введены представления о зонной теории металлов и полупроводников. Расширено изложение особенностей свойств газов, кристаллов при очень высоких температурах. Рассмотрены некоторые процессы при очень низких температурах (сверхпроводимость и др.). Расширен материал, посвященный внутреннему строению и свойствам воды в различных состояниях и процессам замерзания ее введено представление о релаксационном характере процессов, связанных с достижением равновесного состояния воды при изменившихся внешних условиях [c.12]

Возникновение парамагнетизма электронов проводимости наиболее просто объяснить (Паули, 1927 г.) с точки зрения зонной теории (см. гл. 11). Металлы содержат зону проводимости, лишь частично занятую электронами. На каждом занятом уровне размещается по два электрона с противоположно направленными спинами. Поэтому зону проводимости удобно представить в виде двух полузон (рис. 129, / и //) одна из них содержит электроны со спинами, направленными вверх, другая — со спинами, направ- [c.303]

Зонная теория позволяет охватить все типы электронной проводимости твердых тел. Мы видели (см. 4 этой главы), что изоляторы в отличие от металлов имеют полностью заполненную низшую зону. Изоляторы имеют удельное сопротивление порядка 10 —10 , а металлы порядка 10 —10" Ом-см. [c.516]

Зонная теорий ( 50) показывает, что изоляторы и полупроводники в отличие от металлов не содержат частично заполненных энергетических зон. В изоляторах и полупроводниках (при отсутствии теплового или другого возбуждения) зоны, следующие за валентными (заполненными) зонами, являются пустыми, т. е. не. содержат электронов. Проводимость может возникнуть в них только в результате частичного перехода электронов из валентной зоны в ближайшую пустую зону. Возможность и вероятность такого перехода зависит прежде всего от того, насколько эта зона находится выше (по энергетическому уровню), чем валентная зона, т. е. какова затрата энергии, необходимая для такого перехода. Энергетический интервал между этими зонами называют запрещенной зоной, так как в этом интёрвале энергии электроны не могут находиться. Количество энергии, необходимой для указанного перехода, называют обычно шириной запрещенной зоны и выражают в электрон-вольтах. [c.148]

Металлы. Рассмотрим в соответствии с положениями зонной теории энергетическую структуру металлов. На рис. 36, а показано образование зон в кристалле натрия. Внутренние электронные орбитали атомов, в частности 2р, в кристалле натрия практически не перекрываются. [c.83]

Зонная теория твердого тела позволяет объяснить основные физико-химические свойства кристаллов высокую электрическую проводимость и теплопроводность металлов, особенности проводимости в полупроводниках, изолирующие свойства диэлектриков и т. п. Электрическая проводимость кристаллов определяется наличием квазисвободных электронов, способных к направленному перемещению под действием внешнего электрического поля. Если на электрон действует сила, определяемая напряженностью электрического поля, то он начинает двигаться с ускорением и его кинетическая энергия при этом возрастает. В зонной модели, которая является результатом применения представлений квантовой механики к твердому телу, возрастание энергии электрона равносильно его переходу на более высокий энергетический уровень. При наличии в зоне разрешенных энергий вакантных уровней, ко- [c.309]

Решение задачи было достигнуто в 1926 г., когда Ферми и Дирак предложили зонную теорию (см., например, [1]). Согласно этой теории, в соответствии с принципом Паули весь электронный газ не может быть на одинаково низком энергетическом уровне. Образуются зоны с несколько различающимися энергетическими состояниями электронов. Удельная теплоемкость электронов равна нулю, и только 2 электрона на самом верхнем уровне вносят в нее вклад. Поэтому теплоемкость металла определяется в основном тепловыми колебаниями атомов, а не свободными электронами. [c.253]

Объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков дается на основе квантовой теории строения кристаллических тел — так называемой зонной теории. Рассмотрим некоторые общие положения этой теории. Переход атомных паров в кристаллическое вещество можно рассматривать как химическую реакцию, так как оптические, термодинамические, электрофизические и другие свойства твердых тел отличаются от свойств газов. Важно отметить, что атомные спектры газов имеют линейчатое строение, а спектры твердых тел имеют сплошной характер или полосатую, очень сложную структуру. Уже при взаимодействии двух одинаковых атомов дискретные атомные энергетические уровни расщепляются и превращаются в полосы. Тем большее расщепление уровней происходит, когда большое число N атомов, например лития, сближается с далеких расстояний до расстояний, на которых они находятся в кристаллической решетке. На рис. 70, а это расстояние между ядрами обозначено на оси абсцисс буквой о- По оси ординат отложена энергия. Находясь на больших расстояниях, атомы не взаимодействуют друг с другом, и диаграмма уровней будет такая же, как и для изолированного атома лития (1 25 ). При сближении атомов начнется взаимодействие между ними, прежде всего у каждого из них станет расщепляться уровень валентных электронов (2х). Уровень 2з) расщепляется в систему весьма близко расположенных N уровней, образуя целую полосу (зону) уровней. Более глубокие уровни при образовании кристалла оказываются совсем не расщепленными или только незначительно расщепленными. [c.233]

Итак, с точки зрения зонной теории металлические свойства проявляют те твердые тела, в кристаллах которых зона проводимости заполнена электронами лишь частично. При этом в переносе электричества будут участвовать не все электроны, находящиеся в зоне, а лишь те, для которых доступны незанятые орбитали с низкой энергией. Так, при нагревании металла тепловое возбуждение перемещает электроны с низкой энергией на более высокие энергетические уровни и тем самым ограничивает их возможность участвовать в переносе тока. [c.75]

Согласно этой зонной теории, для металлов характерно, что число подуровней внешней зоны больше числа заполняющих ее электронных пар (и отдельных — холостых — электронов), т. е. в пределах самой этой валентной зоны имеются дополнительные возможности размещения электронов. Так как отдельные подуровни одной и той же зоны энергетически очень близки друг к другу, перераспределение электронов металла по соседним подуровням осуществляется легко, с чем и связаны особенности металлического состояния. [c.112]

Рассмотрим с точки зрения зонной теории структуры, характерные для металлов. Большинство металлов кристаллизуется в решетках, относящихся к одному из трех типов кубическая объемно центрированная (каждый ион окружен 8 соседями) гексагональная (12 соседей) кубическая гранецентрированная (12 соседей). [c.284]

Теоретическое обоснование гипотезы электронного газа в металле дала квантовая теория твердого тела (зонная теория). Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при сближении атомов вследствие взаимодействия между ними электронные энергетические уровни смещаются (проявляется принцип Паули), причем это смещение в наибольшей степени затрагивает внешние, валентные электроны. В результате из одинаковых уровней далеко отстоящих атомов образуется энергетическая зона близко расположенных уровней (рис. IV. 10). [c.178]

Остановимся теперь на том, как зонная теория определяет различия между изоляторами, полупроводниками и металлами. Будем считать структуру полос квазинепрерывной и введем функцию с (е) — энергетическую плотность состояний [с (е) с1е — число квантовых состояний в интервале значений энергии электрона от е до е + с1г]. Для электронов в кристалле эта функция имеет вид, схематически представленный на рис. 26, а. На рис. 26, б для сопоставления дана кривая [c.186]

Расчеты на основе зонной теории для сплавов N1—Си показали, что заполнение -зоны никеля электронами меди должно заканчиваться при атомном содержании Си 37,5%. Действительно, если обозначить содержание никеля в сплаве через х и учесть, что на один атом никеля приходится 0,6 дырки в -зоне, то общее число дырок в -зоне будет равно 0,6 х. Содержание меди составит (100—дг), чему соответствует (100—х)Л 5-электронов. Решая равенство 0,6д = (100—х) -1, получаем критическую концентрацию меди, соответствующую полному заполнению -зоны никеля 37,5%. Таким образом, с точки зрения данной теории критическая концентрация металлов Си, Ag, Аи в сплавах должна составлять 37,5%. что противоречит практически полученной концентрации 60%. [c.153]

Для металлов, находящихся в конце периода, -зона достаточно свободна, чтобы участвовать в образовании а-связей, а /га-зона достаточно заполнена, чтобы участвовать в л-связях. Однако на разных гранях кристаллов конфигурация орбиталей различна, и это должно определять различную прочность связи хемосорбированных частиц и различную каталитическую активность разных граней кристаллов, что не находило объяснения в зонной теории. Водород на [c.159]

Понимание природы кристаллического состояния и специфики связей разного типа может дать квантовая теория твердого тела. В задачу этой теории как одна из основных проблем входит изучение электронных состояний системы многих атомов, образующих периодическую решетку (зонная теория твердого тела, некоторые качественные результаты которой были изложены в гл. VIII, 4). Рассмотрение основного электронного состояния системы затрагивает проблему энергии кристаллической решетки (энергии связи), рассмотрение возбужденных состояний с оценкой их вероятностей при различных температурах — проблему электронного вклада в температурную зависимость термодинамических функций. В квантовой теории движения электронов и ядер обычно предполагают квазинезависимыми. В соответствии с этим приближением термодинамические функции будут включать независимые вклады электронную составляющую и составляющую, обусловленную движением ядер, которые образуют решетку ( решеточная составляющая). Вклад электронной составляющей в термодинамические функции металла (именно для металлов эта составляющая может быть наиболее существенна) был оценен ранее (гл. VIII. 5) было найдено, что при обычных температурах вклад электронов в теплоемкость металла очень мал. В настоящей главе мы будем изучать решеточную составляющую. [c.311]

На основе зонной теории легко объяснима электропроводность твердого тела. Чем, например, объясняется электропроводность лития и других щелочных металлов У них валентная зона занята только наполовину, так как N атомов имеют N валентных электронов (по одному я-электрону на атом), а число мест в 5-зоне 2 N. Незаполнен-ность верхней (валентной) зоны порождает электронную проводимость, характерную для металла. Действительно, под влиянием электрического поля валентные электроны должны начать движение к положительному полюсу, т. е. приобретать дополнительную энергию. Такое наращивание этой энергии очень малыми порциями (почти непрерывное) возможно, если в зоне валентных состояний есть уровни, свободные от электронов. Если зона валентных состояний полностью заполнена электронами, то проводимость должна отсутствовать, т. е. тело должно иметь свойства диэлектрика. В полностью заполненной зоне электроны не могут наращивать энергию малыми порциями, так как принцип Паули запрещает переходы внутри заполненной зоны. [c.234]

Металлические решетки. Зонная теория. Перейдем к рассмотрению свойств и строения металлических кристаллов. Металлическое состояние вещества существенно отличает металлы от всех остальных веществ в твердом и жидком состояниях, что послужило основанием для введения специального понятия металлической связи. И дей- [c.337]

Если учесть, что разница между полупроводниками и диэлектриками только количественная, то можно сказать, что наличие только металлической связи между атомами исключает полупроводниковые свойства вещества (из этого не надо делать вывода о том,что в обычных условиях металлическая составляющая связи в полупроводниках полностью отсутствует). Для полупроводников типичны ковалентные и ионно-ковалентные связи. Музер и Пирсон отмечают, что в составе всех известных неорганических полупроводников всегда есть неметаллические атомы какого-либо из элементов IVA — VIIА подгрупп. Зонная теория не объясняет этого факта. Собственно полупроводниками являются элементарные вещества этих групп (углерод, кремний, германий, а-олово, некоторые модификации 4юсфора, мышьяка, сурьмы, селен, теллур). Сюда надо отнести и бор. Некоторые черты полупроводниковых свойств имеют сера и иод. Слева и снизу от этих элементов в системе находятся металлы, а выше и правее — типичные диэлектрики. [c.255]

Зонная теория кристаллов. В зависимости от строения атомов и пр1]роды кристаллических решеток валентная зона и зона проводимости люгут перекрываться или не перекрываться. В случае, когда зоны не перекрываются, между ними имеется энергетический разрыв, который называется запрещенной зоной. В зависимости от характера заполнершя зон вещества подразделяют на проводники, полупроводн1П<и н диэлектрики (рис. 5.25). Различие между металлами и полупроводниками определяется прежде всего энергетическим состоянием электронов проводимости. Оио может быть охарактеризовано шириной запрещенной зоны, т. е. тем количеством энергии, которое необходимо затратить, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. У металлов сразу же за валентной зоной идет зона проводимости (зона свободных электрон- [c.138]

Зонная теория получила широкое распространение для описания физических свойств металлов. [c.340]

Антимониды переходных металлов. Зонная теория твердого тела в общем виде исключает образование полупроводниковых соединений в системах с участием переходных металлов. Наличие у атомов переходных металлов дефектных -оболочек должно привести к перекрытию валентных зон и зон проводимости. Однако опыты подтвердили полупроводниковые свойства соединений, в состав которых входят атомы переходных металлов. Так как вырождение энергетических состояний электронов в зону происходит при химическом взаимодействии, которое может наблюдаться при каком-то критическом расстоянии между атомами, был предложен следующий критерий для определения состояния -электронов в соединениях переходных металлов. В качестве основной характеристики выбран коэффициент [c.221]

Некоторое представление о механизме переноса тока через полупроводники можно получить на основе зонной теории тверды, тел. Эта теория позволяет установить также различие в природе проводимости металлов, изоляторов и полупроводннков. [c.135]

Представление о зонной теории. Металлы, полупроводники, изоляторы. Валентные отношения в твердом теле с координационной структурой определяются иными законами, чем в молекулах. Само представление о валентности как о способности атома присоединять определенное количество партнеров в применении к твердому телу теряет смысл, так как здесь реализуется возможность коллективного взаимодействия. Так, валентности натрия и хлора в молекуле Na l равны единице, а в твердом состоянии каждый атом натрия окружен шестью атомами хлора, и наоборот. [c.307]

Вследствие дефицита электронов в металлических телах не могут образоваться обычные парно-электронные связи. В таких случаях связь осуществляется за счет коллективного электронно-атомного взаимодействия. Химическая связь в металлах является многоцентровой, ненасыщенной и ненаправленной. Теоретически поведение электронов в металле удовлетворительно описывается е точки зрения зонной теории, которую качественно можю представить как результат приложения ММО к большим ансамблям частиц порядка постоянной Авогадро 10 атомов. [c.370]

Согласно зонной теории, у металлов валентная зона перекрывается с зоной проводимости, небольшое число высокоподвижных электронов, находящихся в ней,. обеспечивает электронную проводимость металлов.уУ титана, циркония и гафния валентная зона ( -подуровень) не заполнена электронами полностью, вследствие этого s-электроны проводимости могут переходить в валентную зону. Поэтому электропроводность титана значительно ниже электропроводности меди (от1 0,03сгси), У которой валентная зона заполнена полностью, и s-электроны не могут в ней находиться. То же самое можно сказать и о теплопроводности, так как она обусловлена в основном [c.211]

Зонная теория твердого тела позволяет наглядно объяснять такие свойства металлов, как теплопроводность и электри.ческая проводимость. Эти свойства металлов определяются способностью электронов перемещаться в кристалле относительно свободно. Например, если на электрон действует сила, соответствующая приложенному напряжению, то он начинает двигаться и его кинетическая энергия возрастает. Это позволяет электроду перейти на более высокий энергетический уро- [c.130]

Зонная теория позволяет понять различие в механизме электропроводности металла и [Ю 1упроводника [c.297]

К Д. относятся почти все неионизиров. газы (е 1), вода (е = 81), нефт. масла (е = 2—3), бензол (е = 2,3), орг. полимеры [полистирол (е = 2,2), полиэтилен (е = 2,3) и др.], стекла (е 4). Кристаллич. Д.— ионные кристаллы (е = 4—10), алмаз (е = 5,7), кварц (е=4,3), слюды (е = 6—8), лед (е = 73), титанаты металлов (е 4000). Диэлектрич. св-ва кристаллов в рамках зонной теории тв. тела объясняются наличием широкой (> 3 эВ) запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. Вследствие этого электроны проводимости и дырки в Д. практически отсутствуют, а электрич. проводимость обусловлена гл. обр. ионами. В жидких Д. электрич. проводимость обусловлена ионами примесей, в стеклах — ионами Na и К. [c.192]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология