Газ валентных электронов в металле

ГАЗ ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В МЕТАЛЛЕ [c.452]

Металлическая связь - химическая связь, обусловленная взаимодействием электронного газа (валентные электроны) в металлах с положительно заряженными ионами (ионным остовом кристаллической решетки в кристалле). [c.32]

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ образуется между атомами, валентные электроны которых слабо связаны с ядром. Экспериментально показано, что электронная плотность валентных электронов в металлах равномерно распределена по объему кристаллов. Это дало основание представить структуру таких кристаллов в виде ионного остова, погруженного в газ из коллективизированных валентных электронов. Взаимодействие электронов такого газа с ионами компенсирует силы отталкивания между ионами. [c.10]

Газ свободных валентных электронов в металле отличается от идеального газа распределением электронов по [c.452]

Отличие т от действительной массы электрона заключается в том, что она определена с учетом взаимодействия электронов с ионными остовами атомов металла. Это дает возможность рассматривать валентные электроны в металле как свободные частицы, несмотря на то, что давление электронного газа составляет 10 — 10 Па. [c.453]

Для металлов важна экранировка ион-ионного взаимодействия газом валентных электронов. В этом пункте, следовательно, электрон-электронное взаимодействие должно быть включено в теорию. [c.149]

Распределение электронов по энергиям. Газ свободных валентных электронов в металле отличается от идеального газа распределением электронов по энергиям. Число электронов, имеющих энергию от до + (1Е, равно [c.110]

Ионные кристаллы. Атомы, стоящие в периодической системе Д. И. Менделеева вблизи инертных газов, сравнительно легко могут принимать конфигурацию их электронных оболочек, отдавая или принимая электроны. Так, у атомов щелочных металлов, стоящих непосредственно за инертными газами, валентный электрон движется вне заполненной оболочки и связан с ядром слабо, вследствие чего энергия ионизации их низка (порядка 5 эВ). У галогенов, стоящих непосредственно перед инертными газами, недостает одного электрона для создания устойчивой электронной оболочки благородного газа. Поэтому они обладают высоким средством к дополнительному электрону (порядка 3 эВ). [c.15]

Атомы в кристаллической решетке графита взаимодействуют так же, как атомы металлов они ионизированы положительно, а связь между ними осуш,ествляют быстро вращающиеся электроны. Но степень ионизации невелика. Из четырех валентных электронов в электронный газ поступает только один. Поэтому графит обладает слабо выраженными металлическими свойствами (например, электропроводностью). [c.89]

Отдельно взятое кристаллическое зерно в поликристаллическом металлическом материале можно рассматривать как монокристалл с однородной по объему и определенно ориентированной в пространстве кристаллической решеткой. Расположение атомов в узлах кристаллической решетки определяется силами их взаимодействия. С физической точки зрения природа этого взаимодействия объясняется следующим образом [36, 47]. Внешние валентные электроны в атомах металлов сравнительно слабо связаны с ядром и свободно перемещаются в кристаллической решетке, образуя так называемый электронный газ. Атомы [металла при этом превращаются в положительно заряженные ионы, которые взаимодействуют друг с другом и с электрон-ным газом. [c.54]

В простейшей модели металлических тел внешние, валентные электроны атомов металла сорваны со своих мест в атомах и все вместе образуют свободный электронный газ, целиком заполняющий кристаллическое тело, в узлах которого располагаются ионы или атомные остатки ). Электронный газ подчиняется квантовой статистике Ферми — Дирака, элементы которой были изложены в 12 гл. III. [c.546]

После рассмотрения одного-единственного электрона в периодическом потенциале мы обратимся к проблеме совокупности валентных электронов в твердом теле. Мы заполним (как для газа свободных электронов в гл. П) энергетические состояния одноэлектронного приближения всеми валентными электронами согласно статистике Ферми. Необходимые для этого плотности состояний г [Е) йЕ мы получим в 22. В двух последующих параграфах мы подробно, на примерах, разъясним зонную структуру в металлах, изоляторах и полупроводниках. [c.71]

Существенное отличие газа валентных электронов металла от обычного идеального газа состоит в том, что в первом случае при Т>0 в тепловом движении участвуют на все электроны, а только небольшая доля их. Это ясно видно из полученного выражения для Су если бы в тепловом движении участвовали все электроны, то теплоемкость Су е с учетом того, что средняя энергия теплового движения составляет (3/2) кТ, была бы равна (3/2) тогда как на самом деле су, е = = 1п кЧ 2Еф)] Т, Следовательно, в тепловом движении участвует лишь доля [c.112]

Металлическая связь может быть сопоставлена с ковалентной связью, при которой валентные электроны обобществляются соседними атомами. Но столь же правомерно и сопоставление ее с ионной связью, если считать, что отрицательные ионы скрепляют вместе положительные ионы. Выбор того или иного сопоставления зависит от рассматриваемого металла. Подвижность электронов в металле оправдывает применение таких терминов, как "электронный газ" и "электронное облако". Поскольку металлическая связь не обладает направленностью, координационное число, как правило, велико. У большого числа металлов, например Ве, Mg, А1, Са, Т1, Со, N1, Си, Ъп, 8г, Ag, Сё, Ре (при высокой температуре), каждый атом окружен 12 соседями. Другие металлы - Ь1, Ка, К, V, Сг, Мо, Ре (при высокой температуре) имеют координационное число 8. Лишь у металлов со значительной степенью ковалентности - 81, Ое, 8п (при низкой температуре) - координационное число равно 4. [c.9]

На рис. 2.1 приведена зависимость первого потенциала ионизации атомов J от атомного номера. Первый потенциал ионизации соответствует энергии, необходимой для отрыва электрона от нейтрального невозбужденного атома. Зависимость (2.1) имеет отчетливый периодический характер. Как видно из рис. 2.1, щелочные металлы (Li, Na, К, Rb, s) имеют ио сравнению с другими элементами минимальные потенциалы ионизации 5,4 5,16 4,35 4,18 3,90 эВ соответственно. В атомах щелочных металлов имеется всего лишь один валентный электрон, который находится вне заполненной оболочки и поэтому связан относительно слабо, из-за чего в различных реакциях эти элементы легко теряют внешний электро , образуя при этом положительно заряженные ионы — катионы Li+, Na+, К+, Rb+, s+. После потери внешнего электрона электронные оболочки соответствующих атомов становятся такими же, как п оболочки атомов ближайших к ним инертных газов (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn), имеющих очень устойчивую электронную конфигурацию, первый потенциал ионизации для которых очень велик и изменяется от 12 до 25 эВ (рис. 2.1). [c.56]

Учет вклада свободных электронов в теплоемкость металлов. По современным представлениям металл рассматривается как совокупность системы положительно заряженных ионов, колеблющихся около их средних положений равновесия в кристаллической решетке, и системы относительно свободных коллективизированных валентных электронов, образующих в металле своеобразный газ. [c.176]

Закон Ома. Электронная теория проводимости металлов рассматривает электронный газ как находящийся в тепловом равновесии с решеткой кристалла. Помимо кулоновского отталкивания электронов существует кулоновское притяжение между электронами и ядрами. Взаимодействие электронов между собой по порядку величины совпадает с энергией взаимодействия их с ядрами. В результате создается до некоторой степени определенная независимость в движении валентных электронов. [c.127]

Диамагнетизм металлов. Металлы составляют значительную группу диамагнетиков (около 20). С известным приближением можно принять, что в диамагнетизме твердых и жидких металлов наряду с атомными остовами (ионами) принимают участие и валентные электроны, которые образуют газ электронов проводимости. [c.146]

Атомы электрически нейтральны, так как отрицательные заряды электронов, вращающихся вокруг ядра, нейтрализованы его положительным зарядом. В металлах при достаточном сближении атомов возникает возможность отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого, у этого — следующим и т. д. Таким образом, часть валентных электронов начинает перемещаться вокруг ядер всех взаимодействующих атомов. Эти электроны называются свободными, поскольку не связаны с определенными атомами. Металл можно представить себе как постройку из нейтральных атомов и ионов, находящихся в атмосфере электронного газа, который как бы стягивает ионы. Связь между атомами, осуществляемая электростатическими силами в результате взаимодействия положительных ионов и электронного газа, называется металлической. Поскольку эти атомы по своей природе одинаковы, то расположиться они должны на таких расстояниях друг от друга и в таких точках пространства, где действующие на них силы притяжения и отталкивания были бы равны. В результате происходит закономерное расположение атомов, наблюдаемое в кристаллической решетке. [c.113]

Сходство физико-химических свойств атомов, стоящих в одном столбце периодической системы Менделеева (табл. 10), распространяется и на их атомные спектры. Мы уже указывали, что все щелочные металлы имеют совершенно аналогичные и сравнительно простые спектры, возникновение которых можно объяснить движениями одного наиболее внешнего, валентного электрона вокруг симметричного атомного остова. При передвижении же вдоль каждой из строк таблицы Менделеева слева направо встречаются все более и более сложные спектры. По Бору, это объясняется тем, что электроны располагаются в атомах по определенного рода слоям или оболочкам. Каждая оболочка начинается с щелочного металла и заканчивается инертным газом. Все электроны, входящие в состав одной и той же оболочки, движутся по орбитам с одинаковыми главными квантовыми числами. Каждый период таблицы Менделеева начинается с заполнения электронами новой оболочки. Физико-химические свойства элементов определяются числом и расположением их самых внешних, валентных электронов. Поэтому периодическое заполнение новых оболочек ведет к периодичности свойств атомов. [c.49]

Систематический обзор спектров элементов можно провести, объединяя их в группы с одинаковым числом и расположением электронов в наиболее внешней оболочке (валентных электронов). Так, на основании табл. 58 можно выделить группы по 8 элементов, в каждой из которых происходит нормальное" заполнение оболочек с s- и р-электронами. Такие группы элементов, которые начинаются с щелочного металла и заканчиваются инертным газом, выписаны в табл. 60, где указано также число валентных s- и р-электронов, в последней строке таблицы приведены нормальные термы, которые были нами определены при разборе конфигураций из разного числа эквивалентных S- и р-электронов (см. табл. 49 40). [c.237]

Валентные электроны в металлах обладают тем свойством, что они не закреплены за определенным атомом и могут свободно перемещаться внутри металла. Это означает, что каждый валентный электрон можно рассматривать как квазисвободный, а совокупность всех валентных электронов в металле — как электронный газ, заключенный в объеме массы металла. [c.452]

Из 106 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева 76 составляют металлы Все металлы имеют общие характерные свойства, отличающие их от других веществ. Это обусловлено особенностями их внутриатомного строения Согласно современной теории строения атомов каждый атом представляет сложную систему, которую схематично можно представить состоящей из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии от него движутся отрицательно заряженные электроны. Притягивающее действие ядра на внещние (валентные) электроны в металлах в значительной степени скомпенсировано электронами внутренних оболочек. Поэтому валентные электроны легко отрываются и свободно перемещаются между образовавшимися положительно заряженными ионами. Слабая связь отдельных электронов с остальной частью атома и является характерной особенностью атомов металлических веществ, обусловливающей их химические, физические и механические свойства. Общее число не связанных с определенным атомом электронов в различных металлах неодинаково. Этим объясняется довольно значительное различие в степени мегалличности отдельных металлов Наличием электронного газа объясняют и особый тип межатомной связи, присущей металлам. [c.4]

Исходя из ненаправленного характера связей в металлах, следовало бы ожидать, что все они должны иметь кристаллические решетки с максимально плотной упаковкой атомов. Однако в действительности наряду с плотнейшими упаковками (г. ц. к. и г. п. у. решетки) среди металлов весьма распространены и менее компактные структуры (о. ц. к.). Это можно объяснить повышением энергии электронного газа валентных электронов с увеличением компактности, с наложе1нием на металлическую связь ковалентной доли связи и др. [c.10]

Существенное отличне газа валентных электронов металла от обычного идеального газа состоит в том, что при Т > О в теплово1М движении участвуют не все электроны, а только небольшая их доля. Это очевидно из полученного выражения для v,,. Если в тепловом движении участвовали бы все электроны, то теплоемкость Су, учитывая влияние средней энергии теплового движения, равной 3l2kT, составила бы 3/2/г. На самом деле, с ,, = = л кТ/2Еф. Следовательно, в тепловом движении уча- [c.456]

Металлические кристаллы. Внешние валентные электроны в атомах металлов связаны относительно слабо. При сбразованни твердого состояния атомы располагаются настолько близко друг от друга, что валентные электроны приобретают способность покидать свои атомы и свободно перемеш,аться внутри решетки. Такое обобществление электронов приводит к однородному распределению их в решетке металла. Связь возникает вследствие взаимодействия положительных ионов решетки с электронным газом электроны, находящиеся между ионами, стягивают их, уравновешивая силы отталкивания, действующие между самими ионамп. [c.20]

Химическая коррозия возникает в результате химического аоздействия коррозионной среды (без образования электрического тока) и протекает обычно в неэлектропроводной среде, например в безводных средах и газах, особенно при повышенных температурах. Эта коррозия протекает относительно просто, поскольку определяющих факторов мало. Однако если на поверхности металла образуются защитные слои, то скорость коррозии зависит от скорости диффузии газа в металл или от скорости диффузии атомов металла сквозь слой продуктов коррозии в направлении границы между защитным слоем и газом. При химической коррозии в таком случае происходит прямой переход валентных электронов из металла в продукт коррозии, т. е. образуются ионные соединения по следующей схеме [c.15]

Специфические (металлические) свойства металлов, прежде всего их высокая тепло- и электропроводность, связаны с особенностями строения атомов металлов и твердых и жидких тел, образованных ими. Твердые металлы анизотропны, причем твердая и ближнего порядка жидкая фазы состоят из положительно заряженных простых ионов, размещенных в узлах кристаллической решетки и связанных между собой электронами (из числа внешних, валентных электронов атома металла), равномерно распределенными в междуионном пространстве, способными перемещаться под действием электрического поля fэлектронный газ). [c.6]

В химии молеку.т различают два оси. типа BHseii — и о н и у ю и к о в а л е и т н у ю. Образование двухатомной молекулы с ионной связью, напр, из га.лоида F и щелочного металла Li, описывается как переход валентного электрона от металла к галоиду, что превращает атомы в катион Li (Is ) и анион F (1.5 2s 2р ). Между иоиами возникает кулоиовское притяжение, в основном определяющее связь атомов в такой молеку-ле. Конфигурации оболочек ионов совпадают становыми vJo для хии ртиих газов Пей No, поэтому молекулы с ионной [c.638]

Поскольку потенциалы ионизации валентных электронов в 10— 65 раз превышают энергии атомизации, то в металлах не происходит полного отрыва валентных электронов и образования предельно вырожденного электронного газа. Эти электроны коллектиеизиру- [c.51]

Опыты, проведенные А. Г. Столетовым еще в 1889 г. в Москве, показали, что электроны в металле связаны непрочно. В дальнейшем было доказано, что эта связь может быть измерена ионизационным потенциалом, характеризующим. легкость отдачи электрона атомом. Ионизационный потенциал является также периодической функцией порядкового номера элемента в периодической системе Д. И. Менделеева (фиг. 2). Металлы имеют всего один-два электрона на наруж-но1 оболочке, поэтому их ионизационный потенциал невелик. Наименьшие потенциалы имеют щелочные металлы, у которых только один валентный электрон, слабо связанный с атомом. Инертные газы гелий, неон, аргон н т. д. имеют 1аиболее высокие ионизационные потенциалы. [c.20]

После криптона ( 2 = 36) идет щелочной металл рубидий (2 = 37) с одним валентным электроном в 0-слое, затем щелочноземельный металл стронций и т. д. Потом электроны снова начинают садиться в незаполненный слой и заполняют его до тех пор, пока не получится в нем устойчивая конфигурация из 18 электронов (после этого он еще может принять в себя 32 —18 = 14 электронов), А. серебра (2 = 47) состоит из вполне законченных К-, X- и М-слоев, из полузаь он-ченного Л -слоя и одного электрона в О-слое. Это вполне соответствует химическому поведению серебра (одновалентность). В дальнейшем прибавленные электроны тоже садятся в 0-слой, пока не получится благородный газ ксенон (2 ==54). Затем один прибавленный электрон садится в Р-слой (щелочной металл цезий, 2 = 55), после него идет двувалентный барий (2 = 56), а за ним лантан ( 2 = =57), у к-рого добавленный электрон садится в 0-СЛОЙ и который поэтому аналогичен элементу 2 = 39, следующему за щелочноземельным стронцием. Дальнейшие прибавленные электроны садятся в Л -слой, пока он не будет окончен. Пока идет эта достройка Л -слоя, поведение самых наружных (валентных) электронов меняется очень мало, а поэто.му получается группа химически близких друг к другу элементов (т. н. редких земель). Число редких земель должно равняться 14, откуда вытекает, что последней редкой землей д. б. элемент 2 = 71 и что элемент 2 = 72 должен оказаться аналогичным элементу 2 = [c.519]

Характерным свойством делокализованной связп является подвижность валентных электронов в пределах кристалла. Ионы решетки. внедрены в газ валентных электронов, который удерживает решетку и качестве целого образования. Поскольку направленные силы химических связей отсутствуют, решетки большинства металлов представляют собой нлотноуиакованные структуры (гексагональные или кубические). В зависимости от электронной конфпгу- [c.39]

В прос1ых металлах рассчитанная плотность валентных электронов оказывается почти однородной, так что обменный потенциал, отвечающий свободным электронам, очень мало отличается от константы, поэтому энергетические зоны существенно не изменяются. Следовательно, зонная структура, учитывающая обменную энергию свободных электронов, очень близка к той, которая получается в приближении Хартри фактически в большинстве расчетов обменной энергией валентных электронов вообще пренебрегают, и результаты обычно хорошо согласуются с экспериментом. В полупроводниках электронная плотность далеко не однородна, поэтому расчеты, учитывающие обменное взаимодействие валентных электронов в приближении свободного электронного газа, оказываются исключительно успешными [6]. В переходных металлах, в частности в меди, попытки использовать приближение Хартри в том виде как это делается для простых металлов, приводят к энергетической структуре, в которой состояния -типа совершенно неправильно расположены относительно состояний 5-типа. Однако если ввести потенциал типа потенциала Ходорова [71, который приближенно имитирует обменное взаимодействие в свободном атоме, то различные энергетические зоны становятся на свои места в согласии с экспериментом 18, 91. Вполне вероятно, что того же эффекта можно было бы достичь, включив обменное взаимодействие свободного электронного газа. Таким образом, во всех случаях сравнение с экспериментом, по-видимому, говорит в пользу аппроксимации обменной энергии взаимодействующих валентных электронов обменной энергией свободного электронного газа. [c.94]

VI е т а л л и ч е с к а я связь отличается тем, что валентные электроны являются общими для всего кристалла. Металл пред-ста ляет собой совокупность пространственной решетки, построенной из положительных ионов, возникающих в результате отщепления от каждого из атомов одного или нескольких валентных электронов, и этих отщепившихся электронов, движущихся внутри ренлетки и взаимодействующих как с ионами, расположенными в узлах решетки, так и друг с другом. Электроны не принадлежат определенным атомам. Они непрерывно н бсс.чоря-дочно перемещаются внутри кристаллической решетки, переходят от одного атома к другому, связывая их. Скопление электронов, осуществляющих. металлическую связь, получило название элгектронного газа. [c.9]

Р1так, в металле внеисние валентные электроны атомов коллективизированы и образуют газ или жидкость, заполняющую меж-ионное пространство. Положительно заряженные ионы стягиваются отрицательно заряженным электронным газом в кристалл. Из сказанного следует, что связь в решетке металла возникает вследствие взаимодействия положительных ионов с электронным газом. [c.82]

Вывод гамильтониана. Чтобы сформулировать задачу расчета взаимодействия между электронами и фононами в металле, мы выведем здесь выражение для гамильтониана в форме, где с самого начала включено куло-новское взаимодействие между электронами и движениями ионов, но в то же время сделаны некоторые приближения для упрощения уравнений. Например, можно пренебречь анизотропией, которая, по-видимому, не очень существенна для проблемы сверхпроводимости. Предполагается, что колебания решетки можно разделить на продольные и поперечные и что электроны взаимодействуют только с продольными компонентами. Это приближение справедливо для волн с большой длиной волны, но неправильно для коротких волн (исключая некоторые напрапления распространения). Предположим также, как это часто делается в теории Блоха, что матричные элементы для электронно-фононного и кулоновского взаимодействий зависят лишь от разности волновых векторов в начальном и конечном состояниях. При вычислении кулоновских взаимодействий сделаны предположения, которые равнозначны рассмотрению валентных электронов как газа свободных электронов. [c.757]

Термодинамический смысл величины ,г, прост энергия Фермн представляет собой химический потенциал газа свободных валентных электронов, отнесенный к одной частице. Для того чтобы убедиться в этом, рассмотрим случай, когда 7 = 0. Химический потенциал ф , по определению равен сумме + (pv), — Ts,. Для газа свободных частиц pv = (2/3) и. При Т = О энтропия s, равна нулю, а согласно предыдущему, и, = (3/5) ф. Поэтому Ф,, = (3/5) Еф + (2/3) (3/5) Е1ь = Е , . Для металлов Еф равна нескольким электронвольтам. [c.455]

Вопрос о смещениях атомов вокруг точечного дефекта рассматривался выше без учета электронной структуры металла. Учет электронной подсистемы кристалла приводит при исследовании этого вопроса к некоторым новым результатам. Для выяснения лишь их общей качественной стороны ограничимся простейшей моделью газа свободных электронов проводимости. Появление точечного дефекта сопроволедается изменением распределения зарядов в металле. В случае вакансии удаление положительного иона вызывает появление на его месте эффективного отрицательного заряда, отталкивающего электроны проводимости. При добавлении примесного атома его валентные электроны могут перейти в электронный газ и в результате появится соответствующий заряд в месте расположения иона примеси. Этот заряд, как и в случае вакансии, экранируется электронами проводимости. Таким образом, появление дефекта сопровонсдается измененпем пространственного распределения плотности электронов, соответствующим изменению их волновых функций. [c.86]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...