ГЛАВА 37. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕЛ
§ 267. Свободные электроны
До сих пор, говоря о строении твердых и жидких тел из атомов, мы не останавливались специально на роли электронов в создании свойств и структуры этих тел. Мы могли это делать по той причине, что электронное строение тел далеко не всегда выходит на первый план. В то же время в ряде вопросов физики невозможно обойтись без учета роли электронов.
Известно, что электроны в теле бывают двух «сортов»: связанные и свободные. Связанные электроны входят в состав определенного атома, иона или молекулы. Свободные электроны принадлежат всему кристаллу или всей жидкости и способныперемещаться между атомами с большой легкостью.
В молекулярных веществах картина электронного строения особенно отчетлива. В большинстве случаев обобществленные электроны отсутствуют и все электроны не выходят за пределы «контуров» молекулы. Уже менее четко удается провести это разграничение электронов в ионных кристаллах. Даже в классических представителях ионной связи нельзя полагать обмен электронов отсутствующим полностью. Тем не менее в ионных кристаллах электроны, переходящие от иона к иону (обменные электроны), не ведут себя как свободные — их перемещение по кристаллу нбсит характер передачи электрона одним атомом соседнему. В кристаллах с гомеополярной связью это видно вполне отчетливо. Алмаз — изолятор, хотя электроны, связывающие атомы углерода, вовсе не привязаны к определенным местам; они передаются от атома к атому эстафетным путем.
От всех перечисленных тел металлы отличаются достаточно резко. В этих телах мы сталкиваемся с электронами, по отношению к которым термин «свободный» вполне оправдан. Электроны металла
перемещаются в нем так, как частицы газа сквозь трубу, заставленную препятствиями. Роль препятствий играют атомные остатки (ионы), находящиеся в состоянии теплового колебания.
Наличие свободных электронов проявляется, прежде всего, в явлениях проводимости и во всех опытах, связанных с вырыванием электрона из тела. Этот комплекс явлений невозможно понять, если не рассмотреть своеобразного поведения обобществленных электронов.
Было бы, разумеется, неверным полагать, что разделение электронов на связанные и свободные носит абсолютный характер. Напротив, правильнее всего считать представления связанности и свободы крайними идеальными картинами. В твердом теле можно найти электроны всех степеней «освобожденности». Это было понято особенно отчетливо, когда в физике заняли надлежащее место полупроводники, заполнившие все промежуткй между схемами системы идеально свободных электронов и системы из обменных электронов или системы из электронно-изолированных молекул. В настоящее время нам ясно, что любые переходные типы структур возможны.
Следует напомнить, что электрон в твердом теле, так же как и атомный электрон, подчиняется волновой механике. Представление об электроне как о «горошинке» справедливо в тех рампах, которые дает принцип неопределенности. Большей частью всякие соображения о траекториях электрона внутри металла физически бессодержательны. Описание электронного строения тела заключается, прежде всего, в указании распределения электронов по энергиям.
Теория показывает, что представлениями об электронах в теле как об электронном газе можно пользоваться лишь в очень условном смысле. Оказывается возможным рассмотрение электронов металла как газа некоторых фиктивных частиц, обладающих эффективной массой, зависящей от направления движения частицы. Этими замечаниями мы хотим предупредить о крайне поверхностной аналогии между электронным газом и газом молекул.
