Особенности электронов металла

Мы видим, что электроны определяют свойства не только атомов, но и молекул.

Не всегда, однако, связь атомов ведет к образованию молекул. Возьмем, например, металлы. Атомы натрия, лития, цезия могут образовать молекулы, но они существуют только в газообразном состоянии. В твердом агрегатном состоянии картина иная. Здесь каждый атом металла окружен несколькими другими атомами металла. Между атомами возникает ковалентная неполярная химическая связь, но особенная: у атомов этих металлов не хватает электронов, чтобы образовать такую связь «по правилам».

– А в самом деле, как может один атом натрия, у которого в наружном электронном слое один единственный электрон, образовать общие электронные пары, образовать химические связи со всеми восемью атомами натрия, которые его окружают?

– Хорошо, что мы познакомились с процессом делокализации. Теперь мы можем объяснить образование связей со значительно меньшим числом электронов, например с таким, сколько их есть у атомов натрия. Каждый атом дает для образования связей свой валентный электрон. Так некоторое число атомов натрия, входящих в кристаллическую решетку, даст столько же электронов, которые начнут вращаться вокруг всех атомных ядер, и образуется одна новая гигантская молекула. Как будто все атомы плавают в какой-то жидкости из электронов, в потоке электронов, в «электронном газе».

– Подождите! Мы как будто произносили уже нечто подобное. Не Франклин ли говорил о «флюиде» электричества? А потом ученые установили, что этот флюид существует, и что он представляет собой поток частиц, названных электронами? Вот почему существование этого «электронного газа» логически доказывается соединением атомов металла. Он является характерной особенностью металлической связи – связи в кристаллической решетке металла. Зная о существовании таких связей, мы можем по-другому взглянуть на опыты великих физиков конца прошлого – начала нынешнего века и объяснить некоторые характерные свойства металлов.

Электронный газ находится в постоянном движении – хаотичном и беспорядочном. Если мы приложим к обоим концам металлического проводника напряжение, то движение электронов упорядочивается – протекает электрический ток. В нем участвуют все электроны электронного газа. Они сталкиваются с ионами металла (в которые по существу превратились атомы, после того как часть электронов покинула электронную оболочку), рассеиваются, встречают «препятствия» на своем пути. Именно это и определяет сопротивление проводника; для каждого металла сопротивление – строго определенная величина. Оно возрастает с температурой. И этого следует ожидать: с повышением температуры ионы металла все сильнее колеблются в узлах кристаллической решетки и их рассеивающее действие становится выше.

– Эту картину просто себе представить, и она объясняет одно из основных свойств металлов – электропроводимость. А вот могут ли электроны участвовать в упорядоченном движении при отсутствии внешнего источника электрического тока?

– Этот вопрос занимал американских физиков В. Стюарта и Р. Толмена. В 1916 году они поставили такой опыт. Катушку с проводником приводят в быстрое вращательное движение, потом резко останавливают. Идея опыта проста: если в металле действительно существуют свободные электроны, они, несмотря на свою ничтожно малую массу, продолжили бы движение после остановки катушки – по инерции. Тогда в электрическом проводнике должен был бы появиться ток. Должен был бы... и он действительно появлялся. Стюарт и Толмен не только измерили этот ток, но и вычислили массу и заряд электрона.

Магазин-гипермаркет. Купить встраиваемые холодильники недорого. Выгодно!


Полезное чтиво:
Образование кристаллической поверхности
Об электронах и химических процессах
Что такое валентность
Проследим процесс реакции
От препарированных лягушек до электродных потенциалов
Соприкосновение двух разных металлов