ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Электронная структура и свойства металлов из "Строение и свойства металлических сплавов " Электронная структура металлов определяет не только химические, но и многие их физические свойства. Это в первую очередь электропроводность, магнитные свойства, а также некоторые механические свойства и свойства переноса (подвижность атомов и дефектов). [c.28] Электропроводность. Теория металлов на основе представления об энергетических зонах (см. стр. 25) позволяет ответить на вопрос, является ли данное твердое тело проводником (проводимость 10 —10 oж ж ), изолятором (проводимость — 10 ом -см ) или полупроводником и таким образом объяснить. огромную разницу в электропроводности. [c.28] Рассмотрим несколько примеров. Щелочной металл натрий (2= И) имеет электронную структуру ls 2s2p 3s . Уровни п = 1 и rt = 2 в атоме полностью заняты, соответственно они будут заполнены и в кристаллическом теле. Зона п = 3 не занята полностью. В зоне 3s имеется 2N состояний, из которых заняты только N, а в зоне Зр, которая, как показывают расчеты, перекрывается с зоной 3s, имеется 6Af свободных состояний. По указанным причинам натрий — хороший проводник. Даже приложение слабого электрического поля (или тепловой, световой, магнитной энергии) приводит к возбуждению огромного количества электронов и переходу их на свободные орбиты. Другой щелочной металл — бериллий (г = 4) имеет электронную структуру s 2s -, зоны Is и 2s заполнены, но зона 2р, свободная от электронов, перекрывается с зоной 2s, вследствие чего возникают условия, необходимые для металлической проводимости. [c.30] Щелочноземельные металлы являлись бы изоляторами (так как имеют два валентных электрона на атом и первая зона у них полностью занята), если бы не было перекрытия зон. [c.30] В меди, золоте, серебре и алюминии частичное заполнение связано как с перекрытием, так и с незаполненностью зон, поскольку атомы этих элементов имеют нечетное число электронов,, тогда как уровень в зоне вмещает два электрона. [c.30] Электросопротивление объясняется рассеянием электронов тепловыми колебаниями решетки (на классическом языке — столкновениями электронов с ионами ). Поскольку амплитуда тепловых колебаний атомов растет с температурой, то растет и вероятность рассеяния, а следовательно, и электросопротивление-(приблизительно пропорционально температуре). Аналогичным образом влияют примеси и дефекты структуры. Эффект от примесей больше, чем от рассеяния на тепловых колебаниях, поэтому проводимость сплавов зависит от температуры меньше, чем у чистых металлов. Так, электропроводность твердого раствора Fe — Сг — Ni (нихром), существенно меньше, чем каждого компонента сплава в отдельности, а при повышении температуры от комнатной до 1000° С меняется всего на 90%. Соответственно процесс упорядочения в твёрдых растворах сопровождается заметным увеличением проводимости. [c.30] Всякое нарушение кристаллической структуры, упругие искажения решетки, нарушения, вызванные холодной пластической деформацией, приводят к увеличению электросопротивления. Дефекты атомной структуры влияют на проводимость более эффективно, чем упругие напряжения. [c.30] Введение примесей в полупроводники может приводить к резкому увеличению проводимости. Так, при введении в германий примеси в количестве 0,1% проводимость последнего увеличивается в 10 раз. [c.31] С точки зрения зонной теории подобное влияние примесей можно объяснить появлением новых уровней- в энергетическом спектре сплава, частично заполняющих разрыв между занятыми и свободными зонами основного элемента. [c.31] Механические свойства. Концентрация электронов (число валентных электронов на атом) и тип связи существенно влияют на механические свойства чистых металлов и сплавов [8]. Основная трудность заключается, как правило, в разделении электронного и размерного (т. е. отношения атомных радиусов) факторов. Кроме того, не всегда такой простой параметр, как число валентных электронов, достаточен для установления четкой корреляции со свойствами, хотя бы эмпирической. Трудности связаны также с тем, что необходимо учитывать взаимодействие различных электронных возмущений (от примесей, дефектов и т. д.). Рассматриваемое свойство может зависеть от нескольких электронных возмущений и каждое из них может влиять несколькими способами. Тем не менее сравнение различных механических свойств с электронной структурой приводит к выводу о том, что свойства в значительной мере определяются числом электронов связи наружных оболочек и их распределением. [c.31] При изучении системы Ti — Fe методом Мессбауэра [9] было показано, что увеличение содержания железа в твердом растворе меняет электронную концентрацию. При содержании железа 1/ 10% оказывается, что s-электроны железа не уходят в й -зону титана, как можно было бы ожидать, а, напротив, количество их, приходящееся на один атом, растет. Из рис. И видно, что одновременно растет и прочность. [c.32] Определенная аналогия между металлами VIA группы (хром, молибден, вольфрам) и полупроводниками с решеткой алмаза ковалентной связью (алмаз, кремний, германий, серое олово) привела к исследованию специфики пластической деформации в кристаллах с направленными связями. В таких кристаллах должны быть велики силы трения между движущимися дислокациями и решеткой (см. гл. VIII)—соответственно велики напряжения Пайерлса —Набарро. [c.33] В табл. 7 приведены расчетные значения энергии активаци сдвига (U), критического напряжения сдвига, экстраполированного к Т = О, (акр(О)), и активационный объем для различных веществ. [c.33] Для ковалентных кристаллов характерны высокие значения и и Окр, а активационный объем по порядку величины близок к Ь — вектор Бюргерса) у металлов с типично металлическим типом связи, напротив, низкие барьеры для сдвига и очень большой активационный объем. [c.33] Свойства переноса. Энгель [10] высказал предположение, что d-электроны не только участвуют а связи, но и определяют энергию активации диффугши, причем вклад их в последнюю больше, чем в энергию связи (теплоту испарения). С увеличением температуры происходит переход электронов с внешних орбит в d-состояние, этим определяется температурная зависимость коэффициента диффузии. Подробнее вопрос будет рассмотрен в гл. III, однако отметим, что развитые представления позволили Энгелю предсказать величины энергии активации диффузии некоторых элементов в разбавленных растворах меди и серебра в хорошем согласии с опытом. [c.34] Недавно связь между электронной плотностью на ядре примесного атома (в разбавленном растворе) и энергией активации диффузии этой примеси (Q) была изучена экспериментально с помощью эффекта Мессбауэра. Об электронной плотности судили по величине химического сдвига (б) мессбауэровской линии (см. гл. XI). Экспериментальные результаты для железа показаны на рис. 13. Увеличение плотности s-электронов (г[з ) на примесных ядрах железа приводит к сильному увеличению энергии переходного состояния и соответствующему увеличению энергии активации диффузии. Приблизительная оценка величины изменения показала, что dQ/dil)j = 155 кдж1г-атом. Авторы (Б. С. Бокштейн, А. А. Жуховицкий) высказали предположение,, что рост Q связан с увеличением вклада d-состояний в гибридные S — й -связи атома железа. Аналогичный, но значительно более слабый (на полтора порядка) эффект наблюдался длЯ диффузии олова, образующего гибридные связи зр -типа. В случае золота, у которого d-оболочка достроена, а / -электронов нет. эффект отсутствовал. [c.35] Вернуться к основной статье