подуровней вместо одинаковых уровней энергии изолированных атомов. Если в
изолированных атомах этому уровню энергии соответствовало по одному
электрону, то при образовании молекулы оба электрона будут иметь наименьшую
из всех возможных значений энергию. В подобных случаях говорят, что
электроны «расположатся» на самом низком энергетическом уровне, т.е.
согласно принципу Паули они оба «расположатся» на нижнем подуровне, а
верхний подуровень окажется «пустым». Если бы каждый изолированный атом
имел по два электрона, соответствующих данному уровню энергии, то при
образовании молекулы эти четыре электрона «расположились» бы попарно на
обоих подуровнях.
Распределение электронов по энергиям справедливо лишь в том случае,
если твёрдое тело будет находиться при температуре абсолютного нуля, не
подвергаясь никаким внешним воздействиям.
Что же произойдёт, если такое твёрдое тело подвергнуть нагреванию,
освещению или облучению ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами или просто
создать внутри него электрическое поле? Так как кристалл при этом получает
энергию извне, то и энергия электронов должна увеличиваться. С позиции
квантовой механики это означает, что электроны получают возможность перейти
в новое состояние, соответствующее более высокому энергетическому уровню,
если порция энергии, получаемая твёрдым телом извне, достаточна для
перевода электронов на один из возбуждённых уровней энергии.
Такая возможность представляется в первую очередь электронам валентной
зоны, так как для перехода электронов из заполненных целиком зон, лежащих
ниже валентных, нужна слишком большая энергия возбуждения. Следовательно,
основную роль во всех энергетических процессах в твёрдом теле играют, в
первую очередь, внешние валентные электроны, или с точки зрения зонной
теории процессы, разыгрывающиеся в валентной и свободной зонах. Поэтому,
как правило, на зонной диаграмме изображают только валентную и свободную
зоны.
Нетрудно показать, что при нагревании кристалла до комнатной температуры
или под действием электрического поля источника тока электрон приобретает
энергию, достаточную лишь для внутризонных переходов.
5.6. Электропроводность твёрдых тел на основе зонной теории
Зонная теория впервые позволила объяснить многие явления в твёрдых телах с
единых позиций. Рассмотрим с позиции зонной теории механизм
электропроводности кристаллов.
Электрическим током называют упорядоченное движение заряжённых частиц в
веществе под действием сил электрического поля. Электрическое поле,
действуя на электроны, ускоряет их на расстоянии свободного пробега ? и
сообщает им энергию, равной работе электрической силы Е на перемещении ?.
Электрический ток возникает лишь в том случае, если верхняя энергетическая
зона не полностью занята электронами, т.е. число подуровней энергии в зоне
превышает число электронов. Такую зону называют зонной проводимости. Таким
образом, если валентная зона не полностью занята электронами, то твёрдое
тело всегда будет проводником электрического тока. Этот случай заполнения
валентной зоны соответствует металлам, входящим в первую группу
периодической системы Д.И.Менделеева. Ведь у них имеется всего по одному
валентному электрону. В твёрдом теле из N таких атомов будет и N валентных
электронов. Но, располагаясь в валентной зоне твёрдого тела по 2 электрона
на уровень, они займут только половину, т.е. N/2 уровней из N возможных.
Для металлов второй группы периодической системы полностью заполненная
валентная зона перекрывается с какой-нибудь незаполненной зонной.
Верхний занятый электронами металла энергетический уровень при Т=0 К
называют уровнем Ферми. Энергия Ферми Еф составляет приближённо 10 эв.
Уровень Ферми играет большую роль в квантовых представлениях о твёрдом
теле.
Рассмотрим теперь энергетический спектр твёрдого тела. В валентной зоне
все энергетические уровни полностью заняты электронами, а свободные уровни
отделены от валентной зоны зоной запрещённых значений энергии ?Е. Обычные
электрические поля не могут сообщить электрону валентной зоны энергию ?Е,
достаточную для преодоления запрещённой зоны и перевода его в свободную
зону, где он мог бы уже увеличивать свою энергию. Следовательно, в таких
твёрдых телах электропроводность не может иметь место при отсутствии
внешних возбуждений и нулевой температуре. Однако в реальных условиях
температура твёрдых тел отличается от нуля, поэтому эти тела обладают
некоторой энергией теплового движения. Есть кристаллы, для которых энергии
теплового движения при обычных температурах недостаточна, чтобы электрон
мог преодолеть запрещённую зону энергии (кТ6эв, то оно - диэлектрик, а если ?Е1, но и в том и в другом случае
? лишь незначительно отличаются от единицы. для ферромагнетиков ?>>1. Но
не только в этом отличие ферромагнитных свойств.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков ? не является постоянной
величиной, а зависит от индукции внешнего поля В0. Характер данной
зависимости приведён на рисунке 45в.
[pic]
рис.45в
Ферромагнетики обладают остаточным магнетизмом, т.е. могут сохранять
намагниченность и при отсутствии внешнего намагничивающего поля.
Для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис - явление,
возникающее при перемагничивании ферромагнитного образца. Сущность
магнитного гистерезиса состоит в том, что изменение намагничивание образца
I отстаёт от изменений индукции магнитного поля В0. При этом I=В-В0=(?-
1)В0. при некоторой температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик
теряет ферромагнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.
6.4. Диамагнетизм. Влияние магнитного поля на орбитальное движение
электронов
Атомы диамагнитных веществ, при отсутствии внешнего намагничивающего поля
не имеют магнитного момента. Орбитальные и спиновые моменты всех электронов
этих атомов скомпенсированы. Если же диамагнитное тело поместить в
магнитное поле, то в нём возникнет дополнительный магнитный момент,
направленный против поля. Как это объяснить?
Объяснение основано на применении к атому, помещённому в магнитное
поле, правило Ленца. В момент включения магнитного поля или внесении
диамагнитного вещества в область, где поле уже есть, в атомах должны
возникнуть индукционные токи. В действительности в атоме движутся
электроны, а магнитное поле как-то изменяет движение этих электронов и
эквивалентный этому движению электронов ток. Но для простоты объяснения
будем говорить об индукционном токе. Согласно правилу Ленца направление
индукционного тока таково, что поле, им созданное, направлено против
намагничивание поля В0. Возникший дополнительный орбитальный магнитный
момент электрона направлен против поля. Данный эффект продолжается и после
исчезновения э.д.с. индукции, когда магнитное поле не меняется. Объясняется
это отсутствием сопротивления движению электронов в атоме, вследствие чего
индукционный ток в нём не затухнет и после исчезновения э.д.с.
Если орбитальные магнитные моменты разных электронов в атоме могут
скомпенсировать друг друга, то дополнительные магнитные моменты электронов,
направленные у всех электронов против поля, суммируются, т.е. возникает
суммарный дополнительный магнитный момент атома.
Возникновения диамагнетизма можно объяснить ещё и изменением частоты
обращения электрона вокруг ядра.
Рассмотрим случай, когда плоскость орбиты электрона перпендикулярна к
вектору В0 магнитного поля (рис46). На электрон в этом случае, кроме
кулоновской силы Fк, действует сила Лоренца Fл, равная evB0.
Равнодействующая сила при этом равна либо сумме, либо разности Fк и Fл,
поэтому и центростремительное ускорение в этих двух случаях различно. Оно
или увеличится или уменьшится, соответственно изменяется и частота
обращения электрона вокруг ядра. Это изменение частоты и обусловливает
появления дополнительного магнитного момента, так как изменяется сила
эквивалентного тока.
[pic] рис. 46
Во всех же других случаях происходит так называемая прецессия
электронной орбиты в магнитном поле.
Диамагнитный эффект присущ всем атомам без исключения, но по величине он
незначителен. Обнаружить диамагнитный момент удаётся лишь в том случае,
когда он не подавляется более сильным парамагнитным эффектом.
Диамагнетиками являются все инертные газы, а также металлы (медь, серебро,
золото, бериллий, цинк, кадмий, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и др.).
6.5. Парамагнетизм
У парамагнетиков атомы и молекулы имеют постоянный магнитный момент, т.е.
магнитные моменты частиц, их составляющих, не скомпенсированы. Такие атомы
и молекулы в магнитном поле ведут себя как магнитная стрелка,
устанавливаясь по полю.
При рассмотрении поведения парамагнитных веществ в магнитном поле надо
учитывать, что магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов, а
тепловое движение, наоборот, оказывает дезориентирующее действие. В
результате действия обоих факторов устанавливается некоторое распределение
магнитных моментов тела.
На рисунке 48 показаны магнитные моменты атомов парамагнетика при
отсутствии внешнего магнитного поля.
[pic]
рис. 48
рис. 49
Магнитные моменты отдельных атомов ориентированы равновероятно и по всем
направлениям и средний магнитный момент всего тела равен нулю.
На рис 49 показано, как при действии внешнего магнитного поля в
парамагнетике возникает преимущественное направление элементарных магнитных
моментов. Средний момент тела теперь отличен от нуля, и тело
намагничивается по полю. Очевидно, что степень ориентации магнитных
моментов по полю зависит от величины индукции поля.
Для парамагнетиков характерна некоторая зависимость намагниченности от
температуры.
Парамагнитных веществ много, это некоторые газы (N2, О2 и др.), соли
лантаноидов, железа, кобальта, никеля, а также многие металлы (щелочные
металлы, магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец, платина,
палладий) и др.
6.6. Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма.
Носители ферромагнетизма были установлены с помощью опытов по
гиромагнитным явлениям. В этих опытах определялась гиромагнитное отношение
Г.
Рассмотрим один из самых интересных гиромагнитных опытов - опыт Эйнштейна
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
