ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ Строение и свойства твердого тела. Основные свойства металлов из "Металловедение " В настоящее время известно более ста химических элементов (табл. 1). Каждый химический элемент построен из атомов одного типа. Атом представляет сложную систему, состоящую из центрального ядра и перемещающихся вокруг него электронов. Ядро сложено из нейтронов и протонов, оно имеет положительный заряд, определяемый числом протонов. Число электронов, удерживаемых ядром, равно числу протонов, поэтому одиночный атом в обычном состоянии электрически нейтрален. Электроны, перемещающиеся в атоме вокруг ядра, образуют отдельные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняется особым правилам квантовой механики. Согласно этим правилам в каждой оболочке может находиться ограниченное число электронов, которые при этом должны отличаться энергией или направлением вращения вокруг своей оси. Первая оболочка может содержать не более двух электронов, вторая—не более 8, третья — не более 18 и т. д. [c.7] Между законами распределения электронов по оболочкам и периодическим законом Менделеева имеется глубокая связь. Элементы нулевой группы (инертные газы) являются элементами с полностью заполненными оболочками. Так, гелий занимает второе место в таблице Менделеева, следовательно, у него имеются два электрона, которые заполняют 5-уровень в первой оболочке. Электронное строение гелия можно записать в виде 15 , где цифра 1 обозначает номер оболочки, буква 5 — уровень, а число электронов записывается в виде показателя степени. Начиная с атомов лития, во втором периоде идет заполнение второй оболочки, сначала 5-уровня у лития и берилия и затем р-уровня — от бора до неона. Таким образом, у неона заполненными оказываются первая и вторая оболочки. В третьем периоде заполняется третья оболочка, которая может содержать три уровня — 5, р и с1. [c.9] Выше шла речь об одиночных атомах, находящихся на больших расстояниях один от другого. В твердом веществе атомы размещены на столь близких расстояниях, что взаимодействуют между собой. Это в первую очередь выражается во взаимодействии электронов, обладающих наибольшей энергией и называемых валентными электронами. В результате такого взаимодействия меняются энергия и распределение в пространстве валентных электронов, а сами атомы размещаются один относительно другого в определенном порядке. [c.10] Появление энергетических зон приводит к тому, что в некоторых случаях значения энергий электронов, принадлежащих к разным уровням в атомах, сближаются вплоть до совпадения в определенных пределах. Это явление называется перекрытием энергетических зон. В таких случаях электроны могут беспрепятственно переходить из одной зоны в другую. В других случаях зоны отделены одна от другой значительным энергетическим промежутком, который называется запрещенной зоной. В таких случаях переход электронов из нижней зоны (валентной) с малой энергией в верхнюю (зону проводимости) с большой энергией затруднен. Это затруднение тем больше, чем больше ширина (величина) запрещенной зоны. [c.11] Атомы химических элементов, обладающие в значительной мере заполненными электронными оболочками, могут взаимодействовать между собой иным образом. Между подобными атомами образуются пары из валентных электронов по одному от каждого атома, и эти пары обслуживают только два соседних атома. Таким образом, валентные электроны как бы закрепляются между соседними атомами. Подобная связь называется ковалентной. [c.11] У элементов с ковалентной связью между атомами / валентные электроны обобществлены попарно между со-седними атомами. Поэтому при невысоких температурах .электросопротивление таких элементов намного выше, (- чем у элементов с металлической связью. Эти элементы. характеризуются высокими значениями ширины запре-щенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. [c.17] По ширине запрещенной зоны твердые вещества-неметаллы подразделяются на изоляторы и полупроводники. Ширина запрещенной зоны измеряется тем приростом энергии, который должен получить валентный электрон, чтобы перейти в зону проводимости. [c.17] К изоляторам относят вещества с шириной запрещенной зоны более 5 эВ. Это достаточно большая величина, так что у изоляторов количество электронов, переходящих в зону проводимости, очень невелико. К, полупроводникам относят вещества с шириной запрещенной зоны в пределах 0,01—5 эВ. [c.17] Электроны в полупроводнике, способные перемещаться к положительному полюсу, называются электронами проводимости. Их количество в сравнении с общим числом валентных электронов, осуществляющих ковалентную связь между атомами, очень невелико и не превышает долей процента. Именно поэтому электрическое сопротивление полупроводников всегда во много раз больше, чем металлов. [c.18] Повышение температуры, как и в случае металлов, вызывает усиление тепловых колебаний атомов, однако одновременно в полупроводниках повышение температуры способствует дополнительному переходу валентных электронов из ковалентных пар на более высокие энергетические уровни и поэтому в общем итоге электрическое сопротивление полупроводников при повышении температуры уменьшается. В этом заключается одно из главных отличий полупроводников от металлов. [c.18] Хотя повышение температуры вызывает весьма значительное падение электросопротивления, значение этого свойства у полупроводников остается несравненно более высоким, чем у металлов. Так, если у меди при 700° С электросопротивление равно 67 нОм-м, то у кремния и германия оно составляет около 10- Ом-м (см. табл. 2), хотя у этих элементов электросопротивление снижается по сравнению со значениями при комнатной температуре в 10 —10 раз. Собственная проводимость полупроводников увеличивается не только под действием нагрева. Облучение светом также повышает энергию валентных электронов, часть их переходит в зону проводимости, и электрическое сопротивление полупроводника существенно снижается. [c.18] Кроме собственной проводимости, в полупроводниках наблюдается еще и примесная проводимость. Она появляется благодаря присутствию в полупроводнике атомов некоторых примесей. Если, например, в кремнии имеется примесь сурьмы или другого элемента пятой группы таблицы Д. И. Менделеева, то происходит следующее явление. Атом сурьмы имеет пять валентных электронов, четыре из них образукзт ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон очень легко переходит в зону проводимости. Таким образом, получается полупроводник (кремний) п-тина с электронной проводимостью. Название п-тип произошло от английского слова negative — отрицательный. Добавки, подобные сурьме, создающие электроны проводимости в полупроводниках, называются донорами. Электрический ток в полупроводниках п-типа осуществляется только электронами доноров, поскольку их в 10 —10 раз больше, чем собственных носителей зарядов полупроводника. [c.19] Если в кремний внесено незначительное количество атомов какого-либо элемента третьей группы таблицы Д. И. Менделеева, например алюминия, то около каждого атома возникает положительно заряженная дырка из-за нехватки одного электрона для образования связей с четырьмя соседними атомами кремния. Такой кремний обладает дырочной проводимостью и называется полупроводником р-типа. Название произошло от английского слова positive — положительный. Добавки, подобные алюминию, называют акцепторами. [c.19] Проводимость полупроводника, содержащего доноры или акцепторы, всегда больше, чем собственная проводимость. Иначе говоря, в полупроводниках некоторые примеси в малом количестве способны очень сильно (в 10 —10 раз) понизить электросопротивление. В этом состоит другое главнейшее отличие полупроводников от металлов, у которых электросопротивление всегда возрастает от добавок любых элементов. [c.19] Одно из наиболее очевидных отличительных свойств металлов заключается в том, что они под действием внешних механических нагрузок способны изменять свою форму не разрушаясь, т. е. они способны пластически деформироваться. Способность к пластическому деформированию объясняется опять-таки существованием в металлах свободных электронов, которые обеспечивают целостность объема металла, даже если одна часть этого объема смещается относительно другой. В веществах с иными видами связи смещение соседних частей объема вызывает разрыв связей между соседними атомами или ионами. Поэтому такие вещества при воздействии внешних нагрузок при комнатной температуре обычно разрушаются хрупко, без заметной пластической деформации. [c.20] Выше разбирались случаи существования только металлической или только ковалентной связи. Однако во многих кристаллических веществах связь между частицами не проявляется в чистом виде. Так, в кристаллах полупроводникового теллура и металлических висмута и сурьмы существует смешанная связь — частично металлическая и частично ковалентная. [c.20] Кроме того, в кристаллах элементов может наблюдаться еще один вид связи, обусловленный силами Ван-дер-Ваальса. Эта связь возникает в результате электростатического притяжения частиц, у которых при сближении образуются участки с устойчивыми разноименными электрическими зарядами. Такая связь обычно действует между молекулами кристаллических веществ. Например, силы Ван-дер-Ваальса удерживают двухатомные молекулы иода в кристаллах этого элемента, а между двумя атомами в молекуле действует ковалентная связь. Силы Ван-дер-Ваальса во много раз слабее тех сил, которые определяют ковалентную и металлическую связи, поэтому кристаллы со связями Ван-дер-Ваальса между частицами обычно обладают малой прочностью, низкой температурой плавления и кипения (или возгонки). Связь Ван-дер-Ваальса характерна для многих органических соединений. [c.20] Как указывалось, при сближении достаточно большого числа атомов металла они располагаются в пространстве в определенном порядке. Объем вещества, в котором атомы расположены упорядоченно по одной схеме, называется кристаллом. Все металлы являются кристаллическими веществами. Упорядоченное расположение атомов (правильнее, ионов) металла называется его кристаллической структурой. Поскольку взаимодействие между ионами металлов и свободными электронами зависит от заряда и массы ядер атомов, количества свободных электронов. и их энергий, то понятно, что вид кристаллической структуры у разных металлов в общем случае различен. Вместе с тем можно ожидать, что из-за сходства в строении внешних электронных оболочек, из которых образуются свободные электроны, разные металлы могут иметь одинаковую кристаллическую структуру. Изменение температуры может вызвать смену кристаллической структуры из-за того, что именно температура предопределяет интенсивность колебаний ионов, а от этого в основном зависят способ взаимного расположения ионов и расстояние между ними. [c.21] Элементарная ячейка полностью характеризует кристаллическую решетку. Путем последовательного присоединения элементарных ячеек данная кристаллическая решетка может быть распространена на любой объем. Тип и название элементарной ячейки переносятся на тип и название кристаллической решетки. [c.22] Вернуться к основной статье