Связь атомов в твердых телах

Проблема связи атомов в твердых телах из-за одинаковой природы сил взаимодействия между атомами аналогична проблеме сил связи атомов в молекулах. Силы связи в молекулах и твердых телах имеют много общего. Ответ о силах связи в твердых телах представляет собой обобщение ответа, полученного для молекул. Поэтому для количественной оценки энергии связи атомов в твердых телах сначала рассмотрим силы, которые удерживают атомы вместе в двухатомной молекуле. [c.60]

Между атомными ячейками в модели Томаса — Ферми не действуют силы сцепления, так что эта модель не описывает связи атомов в твердом теле. Ячейки оказывают друг на друга положительное давление, совпадающее с давлением электронного газа, т. е. модель описывает только силы отталкивания и тепловое давление. Поэтому модель дает разумные результаты либо при больших плотностях, для сильно сжатого твер- [c.192]

Связь атомов в твердых телах [c.55]

В твердом теле атомы при любой температуре, включая U К, непрерывно совершают колебания около их среднего положения равновесия. При небольших амплитудах такие колеба ния можно считать гармоническими. С повышением температуры амплитуды и энергии этих колебаний увеличиваются. Так как атомы в твердом теле сильно связаны друг с другом, то возбуждение колебаний одного из атомов передается ближайшим атомам, которые, в свою очередь, передают это возбуждение своим соседям и т. д. Этот процесс подобен процессу распространения звуковых волн в твердом теле. Все возможные колебания сильно связанных между собой атомов можно представить как совокупность взаимодействующих упругих волн различной длины, распространяющихся по всему объему кристалла. Так как твердое тело ограничено по размерам, то при данной температуре устанавливается стационарное состояние колебаний, представляющее собой суперпозицию стоячих волн (поверхность твердого тела для звуковых волн является узловой). [c.141]

Сначала рассмотрим механизм распространения теплоты атомными колебаниями в диэлектриках, в которых свободных электронов практически нет. Так как атомы в твердом теле связаны между собой, то при нагревании какого-либо участка тела амплитуда колебаний атомов этого участка увеличивается и атомы при своем движении толкают соседние атомы, которые, в свою очередь, передают это движение своим соседям и т. д. Кинетическая энергия колебаний атомов переносится, таким образом, от нагретого участка к более холодному. Макроскопически поток кинетической энергии атомов выглядит как тепловой поток. Этот процесс одинаков с процессом распространения упругих звуковых волн в твердом теле. [c.187]

Одна из задач теории упругости твердых тел — вычисление модулей упругости и установление связи этих феноменологических параметров с фундаментальным взаимодействием атомов в твердом теле. [c.10]

Сварочный процесс, как и пайка, направлен на получение монолитного соединения, которое возникает в случае установления связей между атомами свариваемых деталей на границе их раздела, аналогично связям, действующим в твердом теле. [c.445]

Более сложно выявить характер носителей тепла в случае, когда нет свободных электронов. Так как атомы в твердом теле сильно связаны друг с другом, увеличение энергии колебаний в одной части кристалла (проявляемое в возрастании температуры) передается в другие его части. Дебай [56] обратил внимание на то, что при передаче тепла колебаниями решетки образуются волны, и определил эффективную длину свободного пробега как расстояние, на котором интенсивность волны ослабляется в 1/е раз вследствие рассеяния. В современной теории предполагается, что тепло переносится фононами, которые являются квантами энергии каждой моды колебаний длина свободного пробега определяет скорость обмена энергией между фононами различных мод. Для теплопроводности можно опять воспользоваться выражением [c.27]

Более совершенная формула для вычисления теплоемкостей твердых веществ, учитывающая спектр частот, была предложена Дебаем (1912 г.). Для того чтобы определить функцию распределения частот, Дебай ввел предположение, что твердое тело можно рассматривать как непрерывную упругую среду (континуум). Это позволило ему применить к твердому телу методы теории упругости и найти функцию распределения частот, изучая проблему свободных колебаний ограниченного твердого тела в условиях термодинамического равновесия. Решив эту задачу для случая, когда все атомы в твердом теле связаны одинаково (простые изотропные твердые вещества), Дебай получил следующую формулу для теплоемкости Сг одного грамм-атома твердого тела [c.266]

Что же касается второго, то в ряде процессов образуется очень плотный, высоконагретый газ, в котором присутствуют электроны. Обычно такое положение возникает, когда первоначально твердое тело быстро нагревается до очень высоких температур порядка десятков или сотен тысяч градусов ) и, по суш еству, превраш ается в плотный газ, так как при таких температурах энергия теплового движения часто превышает энергию связи атомов в твердом или жидком веш естве. [c.189]

Очевидно, что в таком металле, как вольфрам, атомы связаны более прочно, чем в таком металле, как натрий. Поэтому принято говорить, довольно нестрого, о силе сцепления или силе свяЗ И между атомами в твердом теле, однако точное определение такой величины дать трудно, и в качестве -меры прочности связи часто используют различные физические свойства, хотя фактически эти свойства могут совершенно по-разному зависеть от сил, действующих между атомами. [c.109]

Свойства твердых тел — как физические, так и химические — существенно зависят от их электронной и атомной структуры. В соответствии с этим в данной главе рассматриваются некоторые особенности химической связи и расположения атомов в твердых телах, гл. 2 посвящена более детальному описанию электронного строения, а в гл. 3 будут рассмотрены дефекты структуры. [c.11]

Равновесие в твердом теле формально описывается с помощью термодинамических уравнений. Однако часто состояние твердого тела далеко от равновесного по той причине, что достижение равновесия связано с относительно медленными перемещениями атомов в твердом теле, а поэтому необходимо рассматривать и кинетику превращения. [c.141]

Энергетические уровни электронов в твердом теле объединены в серии и образуют энергетические зоны. Число расщепленных уровней в каждой зоне равно числу атомов, объединенных в кристалл. Установлено наличие трех зон нижняя зона валентных связей запрещенная зона зона проводимости. [c.32]

Прежде всего общим свойством всех макроскопических объектов является то, что составляющие их частицы находятся в непрерывном движении. Правда, характер этого движения и законы, которые им управляют, как будто совершенно различны в различных объектах. В газах, например, молекулы свободно движутся по всему объему, лишь относительно изредка сталкиваясь друг с другом. В твердых телах атомы, напротив, сильно связаны между собой и могут лишь слегка колебаться около положений равновесия. Еще более могучим является обменное взаимодействие между электронами в металле, но оно совсем не похоже на взаимодействие между молекулами газа или атомами твердого тела. Оказывается, однако, что существует одна общая черта, одинаково характерная для всех этих разных движений их хаотичность. [c.13]

Этими почти независимыми подсистемами могут быть, например, отдельные частицы. Тогда мы имеем дело с обычным газом. В твердых телах независимыми являются не сами атомы, которые сильно связаны друг с другом, а их колебания около положений равновесия. В более сложных ситуациях приходится прибегать к более изощренным представлениям, чтобы выделить независимо движущиеся части макроскопических систем. Но если гипотеза о молекулярном хаосе работает, такие почти независимые подсистемы непременно должны существовать. [c.15]

Найдем, в качестве примера, положение локальных разрешенных уровней примесных атомов V группы таблицы Менделеева в элементарных полупроводниках IV группы. Предположим, например, что в одном из узлов кристалла германия находится атом мышьяка, имеющий пять электронов в валентной оболочке. Четыре валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия.- Поскольку ковалентная связь является насыщенной, пятый электрон новой связи образовать не может. Находясь в кристалле, он сравнительно слабо взаимодействует с большим числом окружающих мышьяк атомов германия. Вследствие этого его связь с атомом As уменьшается и он движется по орбите большого радиуса. Его поведение подобно поведению электрона в атоме водорода. Таким образом, задача сводится к отысканию уровней энергии водородоподобного атома. При ее решении необходимо учесть следующие обстоятельства. Поскольку электрон движется не только в кулоновском поле иона мышьяка, но и в периодическом поле решетки, ему необходимо приписать эффективную массу т. Кроме того, взаимодействие электрона с атомным остатком As+, имеющим заряд Ze, происходит в твердом теле, обладающем диэлектрической проницаемостью г. С учетом этого потенциальная энергия электрона примесного атома [c.237]

При вычислении диамагнитной восприимчивости (10.13) предполагалось, что в твердом теле все электроны связаны со своими атомами. Это, очевидно, справедливо для диэлектриков. Однако в металлах, а также в полупроводниках при высоких температурах имеются электроны проводимости. Электронный газ также проявляет магнитную активность. Поэтому при вычислении магнитной восприимчивости твердых тел, имеющих электроны проводимости, наряду с восприимчивостью атомных остовов следует учесть магнитную восприимчивость электронного газа. Вопрос о поведении электронов проводимости в магнитном поле мы обсудим позже, а сейчас перейдем к обсуждению природы парамагнетизма. [c.324]

Равнодействующая сила I, осуществляющая связь между частицами в твердых телах, складывается из СШ1 притяжения 2 и отталкивания 3. Изменение величины междуатомных сил в зависимости от расстояния между атомами представлена на рис. 12. [c.28]

Ковалентная связь — связь в твердом теле, обусловленная обобществлением валентных электронов ближайших соседних атомов характеризуется выраженной направленностью. [c.282]

К сожалению, современное состояние теории не позволяет однозначно связать скорость диффузии с концентрацией и физикохимическими свойствами примесей из-за сложности и многообразия факторов, влияющих на ату зависимость. По-видимому, наиболее плодотворным в этой области будет применение теории химической связи и физики твердого тела. Систематика свойств, металлических систем, проводимая на основе метода физикохимического анализа Н. С. Курнакова, показывает, что главнейшим фактором, определяющим эти свойства, является положение элементов в периодической системе [32], которое определяется строением электронных оболочек атомов. При этом физико-химические свойства металлов и сплавов обусловлены главным образом строением и изменением периферийных электронных оболочек. [c.25]

При небольших смещениях атомов из положения равновесия в узлах кристаллической решетки можно в первом приближении потенциальной энергии пренебречь ангармонизмом (энергия, связанная с ангармонизмом, мала). Покажем, что при этом условии в случае всестороннего сжатия и расширения (ниже макроскопического предела текучести) химический потенциал атомов металла, возбужденных деформацией, будет одинаково возрастать независимо от знака деформации (т. е. знака, приложенного извне гидростатического давления) в отличие от кинетической модели системы свободных молекул (идеального газа), где знак прира-щ,ения давления определяет направление изменения химического потенциала. Напротив, термоупругие эффекты в твердых телах связаны с ангармоническими членами в выражении потенциальной энергии взаимодействия атомов, но здесь они не рассматриваются. В литературе этому вопросу не уделено должного внимания, так как все опыты по изучению поведения твердых тел под высоким давлением относятся к деформации тела сжатием. [c.15]

Опыты по диффузии и самодиффузии показывают, что атомы перемещаются во всех агрегатных состояниях вещества. Но в газах — быстрее, в жидкостях — медленнее, а в твердых телах — совсем медленно. Кроме того, общей закономерностью является активизация диффузии при повышении температуры. И это естественно ведь температура неразрывно связана с движением атомов. [c.198]

Итак, необходимым условием фотоэффекта является связанность электрона. Связь электрона в атоме характеризуется энергией ионизации атома, в твердом теле — работой выхода. Для наблюдения внешнего фотоэффекта надо, чтобы энергия фотона была больше энергии ионизации или работы выхода. Однако она не должна становиться чрезмерно большой при энергиях фотонов, измеряемых десятками и сотнями тысяч электрон-вольт, вероятность фотоэг1х1зекта быстро спадает по мере дальнейшего увеличения энергии фотона. [c.157]

При нагревании материала вследствие увеличения подвода энергии частота колебания атомов и межатомные расстояния увеличиваются. На рис. 6.4 показана зависимость энергии взаимодействия двух атомов от расстояния между ними. Если бы потенциальная яма между парой атомов имела точно параболическую форму даже при больших амплитудах колебания, то среднее отклонение двух атомов должно было бы быть одним и тем же, т. е. силы взаимодействия между атомами были бы гармоническими . Твердое тело, для которого характерен только гармонический характер колебания атомов, не должно расширяться при повышении температуры. Причиной теплового расширения является асимметричность кривой энергия взаимодействия — расстояние между атомами и, следовательно, ангармонический характер колебаний атомов в твердом теле. Это означает, что полуамплитуда подъема больше полуамплитуды спада колебаний. Проводя горизонтальные линии на рис. 6.4, можно наглядно показать различие средних значений энергии и, следовательно, различие температур. Увеличение энергии приводит к увеличению среднего расстояния между атомами (линия АВ) и твердое тело должно расширяться. Величина термического расширения зависит от энергии межатомного взаимодействия, т. е. от крутизны и ширины потенциальной ямы. При наличии прочных ковалентных связей, например в алмазе или карбиде кремния или в ионных телах с малым радиусом и высоким зарядом ионов, коэффициент термического расширеня будет низким. В этих случаях наблюдается быстрое изменение потенциальной энергии в зависимости от расстояния между атомами. Для молекулярно-кристаллических тел или полимеров со слабым меж- [c.246]

Ввиду широкой распространенности воды в природе вопрос о ее воздействии на прочность твердых тел имеет большое практическое значение. Молекула воды состоит из ядра атома кислорода, Двух протЬнов и десяти электронов. Ее мйжно представить себе в виде правильного тетраэдра, в центре которого расположено ядро атома кислорода (расстояние от центра до вершин тетраэдра равно (0,95-Ь 0,99) 10 см). Две вершины тет-рээдра (в которых находятся протоны) несут положительный заряд, а двум другим вершинам можно приписать отрицательный заряд. Ковалентная связь О—Н весьма прочна, ее энергия равна 109 ккал1моль. Исключительная полярность молекулы воды и наличие двух положительных водородных ионов (протонов) Н+ объясняет многочисленные аномалии в поведении воды и ее способность к образованию довольно прочных соединений с другими полярными молекулами. Вследствие того, что у иона № отсутствует электронная оболочка (и потому его размеры в тысячи раз меньше, чем у всех остальных ионов), он притягивается электронами других молекул и может внедряться в их электронные оболочки. Таким образом, водородная связь ослаб-ляет связи, присутствующие в твердом теле поэтому вода всегда уменьшает прочность твердых тел и способствует их разрушению. (Энергия водородной связи для полярных молекул равна примерно 6—12 ккал моль.) [c.435]

При пайке в результате взаимодействия основного металла, находящегося в твердом состоянии, с расплавом припоя образуются связи между их атомами. В твердом теле связи могут быть четырех видов — ионная, ковалентная, полярная (ван-дер-ваальсова) и металлическая. При формировании паяных соединений имеют место все эти виды связей не только потому, что разграничение на четыре вида связей условно (в реальных веществах могут проявляться одновременно связи нескольких видов), но и вследствие применения при пай- [c.23]

В начале тридцатых годов стали интенсивно развиваться исследования, связанные с изучением механических свойств аморфных и высокомолекулярных твердых тел. Развитие этого направления связано с именами А. П. Александрова, П. П. Кобеко, М. О. Корнфельда, Е. В. Кувшинского и др. Приблизительно к этому же периоду относится зарождение представлений о ведущей роли теплового движения в определении механических свойств твердых тел. Такой подход в значительной мере основывался на идеях Я. И. Френкеля о термофлуктуационном механизме движения частиц, едином для всех жидкостей и твердых тел. Согласно этой концепции изменение конфигурации атомов в твердом теле происходит в момент тепловой флуктуации, повышающей на некоторое время локальную энергию, а внешнее напряжение приводит лишь [c.423]

Различают четыре типа химических связей, действующих в твердых телах. Применительно к электронной плотности в кристаллической р ешетке это деление может быть представлено схематически [39, 1] следующим образом (фиг. 75). Ионная (гетерополярная) связь (ы) характеризуется переходом электрона от положительно заряженного иона к отрицательному. В этом случае электронная плотность между двумя ионами доходит до нуля. Атомная, ковалентная связь (а) характерна наличием электронной плотности между двумя атомами, так как часть электронов, связывающих атомы, в этом случае принадлежит им обоим. Молекулярная связь (в) характеризуется наличием промежутков между отдельными молекулами с нулевой электронной плотностью. Наконец, [c.98]

С колебаниями атомов кристаллической решетки связаны многие физические явления в твердых телах — теплоемкость, теплопроводность, термическое расширение, электропроводность и др. Теория коле баннй атомов трехмерного кристалла крайне сложна. Поэтому мы сначала рассмотрим распространение упругих волн в однородной упругой струне и в кристаллах без учета их дискретной структуры. Затем рассмотрим колебание атомов в одно-ме13Ной решетке. После этого полученные результаты обобщим для случая трехмерной кристаллической решетки. [c.141]

Электронная структура атомов, образующих твердое тело, не единственный фактор, обусловливающий различие в заполнении зон. На примере Na l мы видели, что важную роль играет природа химической связи. Характер заполнения энергетических зон зависит также и от структуры кристалла. Так, например, углерод в структуре алмаза — диэлектрик, а углерод в структуре графита обладает металлическими свойствами. [c.231]

С классической точки зрения волна, коттэрая удовлетворяет этому дисперсионному соотношению, может иметь любую амплитуду (в пределах выполнения закона Гука). В то же время для колебаний решетки, как и для квантов электромагнитного излучения, характерен корпускулярно-волновой дуализм. Корпускулярный аспект колебаний решетки приводит к понятию фонона, и прохождение волны смещения атомов в кристалле можно рассматривать как движение одного или многих фононов. При этом каждый фонон переносит энергию Ксй, где Ь = Ь/2я= 1,0546-эрг-с Н — постоянная Планка, и импульс Ьк. Теплопроводность, рассеяние электронов и некоторые другие процессы в твердых телах связаны с возникновением и исчезновением фононов, т. е. корпускулярный аспект таких процессов- так же важен, как и волновой. Проявление дискретной (корпускулярной) природы энергии возбуждения в других явлениях зависит от того, насколько велико количество термически возбужденных фононов. [c.36]

При сближении ионов до расстояний порядка их собственных размеров валентные эдектроны данного атома вступают в сильное взаимодействие с соседними ядрами и их электронными оболочками, обеспечивающее возникновение химической связи. Поэтому валентные электроны нельзя считать локализованными у данного атома и в некоторых случаях они получают возможность перемещаться по всему кристаллу. Конечно, в молекулярных кристаллах связь между атомами, образующими решетку, имеет характер ван-дер-ваальсовых сил. Однако в подавляющем больщинотве явлений, происходящих в твердых телах, электроны играют самую существенную роль. Поэтому рассмотрим наиболее общий случай, когда в кристалле содержатся ионы и валентные электроны. [c.47]

В изолированном атоме электроны стремятся занять уровни с минимальной энергией. То же самое наблюдается в твердых телах - электроны стремятся заполнить энергетические зоны с минимальной энергией. Наибольшему упшрению подвергаются уровни валентных электронов, т.е.электронов, находящихся во внешней электронной оболочке. Валентные электроны слабо связаны с ядром и свободно переходят от одного атома к другому. Уширение энергетических уровней внутренних электронов [c.8]

Тот факт, что рентгеновы лучи излучаются обычно не свободными атомами, а твердыми телами сказывается и в появлении тех или других рентгеновых линий при возрастании зарядового номера Z. Например, 2р-элек-троны у свободных атомов впервые появляются в нормальном состоянии у бора (Z = 5). Отсюда и линия должна была бы впервые наблюдаться у данного элемента. На самом деле в рентгеновых спектрах твердых тел линия /Сд наблюдается у бериллия (Z = 4) и даже у лития (Z = 3), что объясняется ролью химических связей в твердом теле>. В результате этих связей внешние электроны атомов возбуждаются и могут с возбужденных уровней переходить на освободившееся место в /С-оболочке. Таким образом, /С-линии у подобных элементов носят, как и коротковолновые сателлиты, полу-оптический характер. [c.322]

Быстрая частица, попадая в твердое тело, вовлекается в непрерывный процесс взаимодействия с его атомами и электронами, передавая им свою энергию. Некоторые атомы среды при этом получают энергию, превышающую их энергию связи в твердом теле, и также приходят в движение, порождая вакансии. Какая-то часть первично выбитых атомов в результате взаимодействия с быстрой частицей получает энергию, достаточную для приведения в движение других вторично выбитых атомов. Возникает каскад движущихся атомов. Все эти движущиеся в твердом теле частицы и атомы в результате взаимодействия со средой постепенно замедляются и останавливаются. Некоторые атомы при этом захватываются ранее образованными вакансиями (этот процесс называется быстрым или кратковременным отжигом), а остальные останавливаются в межузлиях кристаллической решетки. [c.20]

Взаимодействие ядра и электрона в атоме Электронная структура атома Особенности электронной структуры переходных элементов Межатомная связь в мопенулах гомеололярная или ковалентная связь] Основные типы связи в твердых телах Металлическая связь Особенности электронной структуры м связи в переходных металлах Электронная структура и свойства металлов [c.9]

Материалы в магнитном поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшае гся, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля, — диамагнитный эффект. Наличие нескомпенси-рованных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома — парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект. [c.524]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...