ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ
Согласно современным представлениям о строении атомов и молекул они состоят из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Самой простой моделью атома является так называемая планетарная модель, в которой электроны рассматриваются как материальные точки, вращающиеся по круговым орбитам вокруг ядра. Эта модель позволяет в первом приближении объяснить магнитные свойства различных веществ (магнетиков).
Рис. 7.1. К вычислению магнитного момента электрона в атоме
Итак, пусть электрон в атоме движется вокруг ядра по окружности (рис. 7.1). В таком случае электрон подобен круговому контуру с током и также характеризуется магнитным моментом рт. Направление тока, создаваемого вращающимся электроном, противоположно направлению его скорости, так как электрон несет отрицательный заряд — с. По определению вектор рт перпендикулярен плоскости орбиты электрона, а его направление связано с направлением тока в контуре правилом правого винта. По определению модуль вектора рт равен произведению силы тока на площадь контура: 
Сила тока, создаваемого вращающимся по орбите электроном, равна отношению его заряда к периоду Т обращения электрона вокруг ядра:
Период Т связан со скоростью v и длиной орбиты 2 хг соотношением
Площадь круговой орбиты
При помощи этих соотношений найдем, что
Рассмотренный магнитный момент рт электрона обусловлен его движением вокруг ядра и называется орбитальным магнитным моментом. В некотором смысле электрон подобен вращающемуся заряженному шарику. Поэтому электрона имеет еще так называемый собственный магнитный момент.
В атомах и молекулах имеется несколько электронов. Магнитным моментом рт молекулы (или атома) называется векторная сумма магнитных моментов входящих в ее состав электронов:
где рт% — магнитный момент i-ro электрона, который равен сумме его орбитального и собственного магнитных моментов.
Магнитное поле, создаваемое токами, которые не входят в состав рассматриваемой системы, называется внешним по отношению к этой системе.
Молекула называется диамагнитной, если ее магнитный момент в отсутствие внешнего поля равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля диамагнитная молекула приобретает магнитный момент. Это явление называется намагничиванием. Молекула, магнитный момент которой не равен нулю, даже когда внешнего поля нет, называется парамагнитной. Такая молекула ведет себя в магнитном поле, как рамка с током. Силы Ампера, с которыми магнитное поле действует на парамагнитную молекулу, стремятся развернуть молекулу так, чтобы ее магнитный момент был направлен по полю, т.е. в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции. Этому препятствует тепловое движение молекул.
В атомах и молекулах электроны, движущиеся по одной орбите, образуют пары. Собственные магнитные моменты электронов в этих парах всегда направлены в противоположные стороны так, что их сумма равна нулю. Если число электронов в атоме или молекуле четное, то ее полный магнитный момент может оказаться равным нулю. Любой атом и молекула с нечетным числом электронов всегда парамагнитны.
Чем создается ток в атомах
Земля и воздух, скалы и море, цветок и тончайшая жилка нашего тела — все построено из неисчислимых мириадов атомов. Каждый из них невообразимо мал. Возле булавочной головки атом словно булавочная головка рядом с Эльбрусом. А построен атом из частичек, еще в сотни тысяч раз меньших, чем он сам.
В центре его массивное ядро — кладовая атомной энергии, до которой сейчас дотянулась рука человека. Ядро несет положительный электрический заряд. Вокруг ядра движутся легкие, отрицательно заряженные электроны. Они удерживаются возле ядра, послушные всеобщему физическому закону: тела, которые имеют разноименные электрические заряды, притягиваются друг к другу.
Разнообразны ли атомы?
Не слишком. Вместе с созданными в последние годы искусственным путем науке известно сто видов атомов. Вот и все, если не считать разных сортов каждого вида. И из этого ассортимента частиц построено бесконечное многообразие тел и веществ Вселенной.
Отличаются атомы разных видов неодинаковым зарядом ядер.
У ядра простейшего водородного атома самый маленький заряд. И электрон в таком атоме один-единственный. Ядра атомов меди гораздо богаче зарядом — в двадцать девять раз. Стало быть, и электронов там по двадцать девять у каждого атома.
Располагаются электроны атома в строгом порядке. Они движутся по замкнутым путям-орбитам, которые образуют несколько оболочек, охватывающих ядро.
Чем ближе электронная оболочка к ядру, тем крепче связаны с ним ее электроны. Чтобы выбить электрон с внутренней оболочки, нужен сильный толчок — большая энергия. Легче оторвать электроны, «обитающие» на последующих оболочках.
Электроны самой верхней, внешней, оболочки играют важнейшую роль. Они связывают атомы в кристаллическую структуру, соединяют их в молекулы. Химические процессы, электрическое состояние тел и многое другое определяются поведением электронов внешних атомных оболочек.
Как же ведут себя внешние электроны в различных веществах?
ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛЕ И ИЗОЛЯТОРЕ
Внешние электроны не удерживаются в атомах медной проволочки: слишком слабо они связаны с ядрами «своих» атомов. Атомы все время беспорядочно перемещаются и как бы стряхивают с себя внешние электроны. Эти «оторвавшиеся» электроны блуждают по кусочку металла, участвуя в общем беспорядочном тепловом движении, которое тем активнее, чем выше температура проволочки.
В мире электронов незаметно тяготение Земли. Объясняется это просто: слишком легки такие частицы и слишком <10>быстро они движутся. Зато электроны послушны другой силе — электрической. Как камень падает вниз, притягиваемый Землей, так электроны, наделенные довольно значительным для такой легкой частички зарядом, меняют движение под действием электрического поля, которое создается в пространстве любым заряженным телом.
Прижмем концы проволочки к полюсам электрической батарейки — металл тотчас пронизывается электрическим полем. Свободные электроны теперь не только участвуют в тепловом беспорядочном движении, но и перемещаются по проволочке к положительному полюсу батарейки, подхваченные полем. На место, освобожденное ушедшими электронами, поле выталкивает другие из отрицательного полюса батарейки. Они тоже уходят, уступая место новым и новым отрядам электронов: по проволочке побежал электрический ток.
Поток электронов в металле неспокойный. Ведь на их пути то и дело попадаются атомы, которые к тому же сами перемещаются, участвуя в тепловом движении. Поэтому при нагревании проволочки электронному потоку труднее становится пробиваться вперед. По мере повышения температуры сила тока уменьшается. В этом свойстве — важный признак электропроводности металла.
В металле многие электроны не связаны с каждым атомом в отдельности и беспорядочно блуждают между ними.
Кусочек металла соединен с полюсами электрической батарейки. Его пронизывает электрическое поле, которое подхватывает электроны и устремляет их к положительному полюсу.
В изоляторе внешние электроны прочно удерживаются у своих атомов. Поэтому здесь нечему переносить электрический ток.
Заметим кстати: электрический ток и сам разогревает проволочку. Чем обильнее поток электронов, тем сильнее он расталкивает атомы, увеличивая энергию их теплового движения.
В изоляторе все обстоит проще. Резина, фарфор, стекло тоже, конечно, построены из атомов. Как и в металле, атомы там подвержены беспорядочному тепловому движению. Но электроны внешних оболочек надежно связаны с ядрами атомов изолятора. Там нет свободных электронов, а значит, нечему создать электрический ток.
Впрочем, если мы раскалим изолятор, он может потерять изолирующие свойства. Связи между атомами станут иными. Поэтому при сильном нагревании некоторые изоляторы превращаются в полупроводники. Каковы же особенности полупроводников?
Бросим медную проволочку в жаркую печь — с температурой в тысячу градусов. Проволочка только-только не расплавится, а на ее поверхности начнется активная реакция химического соединения металла с кислородом воздуха. Каждая пара атомов меди свяжется с одним атомом кислорода. Пройдет несколько минут, и проволочка покроется черным веществом, которое называется закисью меди. Соскоблим ее и отдадим в химическую лабораторию — попросим тщательнейшим образом очистить закись от примесей. И если химики аккуратно выполнят наше задание, мы получим от них кусочек идеально чистого, классического полупроводника.
Проведем с ним несколько опытов.
Проверим сначала, как он будет проводить электрический ток.
Выяснится, что гораздо хуже меди. Это для нас не будет неожиданностью: поэтому он и носит название полупроводника.
Зато нам покажется странным результат другого эксперимента. Чем сильнее мы станем нагревать кристаллик закиси, тем лучше он будет проводить ток. В медной проволочке, как мы помним, наблюдалось прямо противоположное явление.
В чем же тут дело?
В полупроводнике внешние электроны принадлежат обычно сразу паре соседних атомов, осуществляя их связь в кристалле. Но связаны они с ядрами не слишком сильно. Поднимается температура — и увеличивается энергия беспорядочного теплового движения. В результате при нагревании нарушаются связи между атомами, все больше электронов обретает свободу, а заодно и способность переносить электрический ток.
Теперь как будто все стало понятно. Но если бы мы только из этих соображений составили математические уравнения и провели теоретический расчет электропроводности кристаллика закиси, нас постигло бы разочарование. Вычисленная электропроводность получилась бы почти вдвое меньше, чем действительная, наблюдающаяся на опыте.
Значит, какой-то стороны явления мы не учли.
Чтобы отыскать ответ, отправимся в экскурсию — в театр юного зрителя.
Сегодня идет отличная пьеса, и театральный зал полон. Но мы не будем смотреть на сцену. Обратим внимание на незначительное происшествие в зрительном зале.
Мы сидим возле прохода и смотрим на другую его сторону. Все места с первого ряда до последнего заняты. Ребята с увлечением смотрят спектакль. Но вот в первом ряду с краю освободилось место. Сидевший на нем школьник почему-то ушел.
Как только стул в первом ряду освободился, на него немедленно перескочил вихрастый пионер — обитатель крайнего места во втором ряду. Пионера можно понять: во втором ряду сидеть неплохо, но в первом, разумеется, лучше. А дальше? Девочка с косичками, что сидела с краю в третьем ряду, быстро перебежала на место вихрастого пионера во втором ряду. На опустевший стул девочки пересела ее подружка из четвертого ряда, на ее место — мальчик из пятого ряда. Словом, все обитатели крайних стульев у прохода передвинулись на одно место вперед. А пустое место в то же время перекочевало через весь зал назад — от первого ряда до последнего. Вот и все, что нам нужно было увидеть в театре. Теперь можно вернуться в мир атомов и электронов.
Представим ненадолго, что мы сжались в миллионы миллионов раз и научились видеть невидимые явления, причем в тысячи раз медленнее, чем они происходят на самом деле. Обретя эту сказочную способность, проникнем в недра нашего кусочка закиси, присоединенного к электрической батарейке — правым концом к ее положительному полюсу, а левым к отрицательному.
Какая картина предстанет перед нами?
В общих чертах ее можно представить себе следующим образом (очень условно и упрощенно).
Безостановочно движутся атомы. Их связывают между собой электроны внешних оболочек. Вот один из внешних электронов получил толчок. Связь нарушилась — в <15>ней словно образовалась брешь, а электрон стал свободным и унесся вправо, подхваченный невидимой силой электрического поля.
Но место, где только что пребывал электрон, лишь мгновение оставалось пустым. Подобно тому, как в театре вихрастый пионер из второго ряда быстро пересел на опустевший стул в первом ряду, место улетевшего электрона тотчас занял другой электрон — с внешней оболочки соседнего слева атома. Этот «пересевший» электрон вовсе не обладал большой энергией. Никаких, чрезмерно сильных ударов он не получил. Он просто как бы соскользнул с одного места на другое, словно сдутый легким ветерком электрического поля. Ведь в атомах полупроводника электроны связаны слабее, чем в изоляторе.
После этой «пересадки» между первым левым атомом и его соседом Электронная связь нарушилась — там осталось пустующее место. Его тут же занимает электрон со следующей влево связи атомов. Туда соскальзывает внешний электрон третьего слева атома и так далее.
В зрительном зале театра ребята пересаживались на стул вперед, стремясь быть поближе к сцене. Здесь же внешние электроны атомов перескакивают один за другим вправо (туда их тянет электрическое поле). Причем каждый — на один только шаг.
Правда, на самом деле это явление значительно сложнее, оно сильно запутывается беспорядочным тепловым движением частичек. Но в основе оно именно таково, как мы описали.
Итак, в полупроводнике электрический ток создается не только теми электронами, которые по каким-то причинам освобождаются из «плена» атомов.
Электроны, не освободившиеся совсем, а только перескакивающие с атома на атом, перемещаются туда, куда их влечет электрическое поле. А такое движение зарядов тоже представляет собой не что иное, как электрический ток.
Зрители в театральном зале один за другим пересаживаются ближе к сцене.
Внешние электроны атомов полупроводника «меняют хозяев» — перескакивают на «освободившиеся места» в том направлении, куда их влечет электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад, словно освободившееся место в зрительном зале театра.
Мы приходим к выводу: в полупроводнике существуют два электрических тока. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов свободными электронами. Он и называется электронным. Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Ему дали имя дырочного. Откуда взялось это название?
Давайте сообразим, как можно рассказать о происшествии, которое мы наблюдали в зрительном зале детского театра.
Приходят в голову такое описание: на освободившееся место в первом ряду пересел зритель из второго ряда; на место, освобожденное зрителем второго ряда, пересел зритель из третьего ряда; . . . на место, освобожденное зрителем тридцать девятого ряда, пересел зритель из сорокового ряда. Как много слов! Как долго их читать! А попробуйте обойтись без них, когда еще неизвестна сущность явления. Трудно! Не случайно примерно так мы и объясняли его в первый раз. Иначе запутались бы.
Но если мы знаем, какое событие произошло в зрительном зале, сказать о нем можно уже гораздо экономнее: освободившееся место переместилось с первого ряда в сороковой.
В кристаллике полупроводника мы подметили похожее явление. И опять, вместо того чтобы нудно перечислять перемещения электронов на один шаг слева направо, мы можем коротко сказать: нарушенная связь между атомами перекочевала через весь кристалл справа налево. Эту нарушенную связь физики предложили назвать попросту дыркой. Теперь явление описывается совсем экономно: дырка движется через кристаллик справа налево.
Дырка кочует в направлении к отрицательному полюсу электрической батарейки. Значит, она ведет себя как частица, имеющая положительный электрический заряд. Если продолжать такую чисто условную аналогию, то окажется, что заряд ее можно принять равным по величине заряду электрона.
Таким образом, для удобства описаний и расчетов физики условились говорить, что в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек — свободных электронов, — носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Отсюда и название двух токов — электронный и дырочный.
Надо всегда помнить, что подлинные носители тока — электроны, а дырка — это совсем не настоящая частица. На самом деле в ней нет ни массы, ни заряда, как нет теста в дырке бублика.
В нашем полупроводниковом кристаллике освобождению электронов сопутствует возникновение такого же количества дырок. Под действием электрического поля электроны и дырки устремляются в противоположные стороны. Это значит, что в кристалле одновременно возникают электронный и дырочный токи. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Добавим, что свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает — он немного сильнее дырочного.
Вы думаете, мы уже полностью раскрыли внутренние причины проводимости кристалла? Нет. Недаром мы отдавали закись меди на очистку в химическую лабораторию.
То, о чем вы до сих пор читали, относится только к идеально чистым материалам. В реальных же полупроводниках, где обязательно есть примеси, хотя, может быть, и очень небольшие, дело обстоит сложнее.
Вспомним знакомый нам слой закиси меди на проволочке, побывавшей в горячей печи.
Какие примеси он имел до того, как попал на очистку в лабораторию?
Из меди в слой закиси проникают «лишние» атомы меди, а из воздуха — «лишние» атомы — кислорода.
С наружной стороны он был наверняка загрязнен лишними атомами кислорода. Они попали туда из воздуха. С внутренней стороны (той, что прилегает к металлу) в закись вкраплены лишние атомы меди.
Сравним, что лучше пропускает электрический ток: идеально чистая закись или же загрязненная небольшим количеством атомов меди?
Опыт покажет, что добавка «лишних» атомов меди резко увеличивает электропроводность полупроводника. Чем это объяснить? Внешние электроны пришлых атомов меди обретают свободу гораздо легче, чем внешние электроны атомов закиси; причем освобождение электронов из медных атомов примеси не сопровождается появлением дырок. На опустевшие места в пришлых медных атомах электроны атомов закиси не попадают, им на это не хватает энергии. Таким образом, «лишние» атомы меди служат источниками только свободных электронов, которые и играют в таком полупроводнике роль основных носителей тока. Подобные примеси называются донорными[1], а включающие их полупроводники — электронными.
Итак, излишек меди увеличил проводимость закиси. Пожалуй, такой исход опыта не явился для нас неожиданностью: к полупроводниковому материалу подбавилось немного металла, и резонно было ожидать, что электропроводность вещества от этого улучшится. Но если так, то, вероятно, добавка кислорода, который не проявляет никаких свойств металла, должна уменьшить электропроводность закиси?
Поставив опыт, мы убедимся, что этого не наблюдается. Малая примесь атомов кислорода не только не снижает, а, наоборот, значительно повышает проводимость закиси — почти так же, как и добавка атомов меди. Опять загадка!
Разгадывается она, впрочем, довольно легко.
Мы помним: не только свободные электроны могут быть в полупроводнике передатчиками тока. Ведь такую роль способны играть и дырки — места, оставленные электронами. И оказывается, избыточными атомами кислорода в закиси меди создаются дырки. Как это происходит?
«Лишний» атом кислорода не только крепко держит собственные электроны. Он втягивает на свою внешнюю оболочку электроны со стороны. Электрону, связанному с атомом закиси, гораздо легче переместиться на пришлый атом кислорода, чем совсем вырваться на волю. Но выловленные примесью кислорода электроны оставляют бреши, пустые места, в электронных связях между атомами закиси. В полупроводнике появляется избыток этих не занятых электронами мест — излишек дырок. Они и становятся здесь основными носителями тока.
Полупроводники, наделенные такими примесями, <21>физики называют дырочными. А сами примеси получили имя акцепторных[2].
Как мы видели, закись меди может быть и электронным и дырочным полупроводником — смотря по тому, что к ней примешано. Это относится и ко всем другим полупроводниковым материалам. Выходит, атомы-гости очень сильно влияют на характер и поведение атомов-хозяев. Часто самые ничтожные дозы примесей резко меняют электрические свойства полупроводника. Электропроводность повышается в десятки, сотни, тысячи, даже в сотни тысяч раз! Исключительно возрастает зависимость ее от температуры и других внешних воздействий.
Но главное вот что: вводя в очищенный полупроводник те или иные примеси в определенных количествах, человек может сознательно управлять электрическими свойствами подобных материалов. «Лишние» атомы оказываются совсем не лишними. В конечном счете именно эта возможность повела к созданию великого множества полупроводниковых приборов и устройств.
О ПОДЛИННОЙ ТЕОРИИ
Прежде чем рассказывать дальше, автор вынужден принести извинение.
Для наглядности и понятности объяснений пришлось несколько упростить изложение физической сущности процессов. На самом деле ученые учитывают здесь многое, о чем нам пришлось умолчать.
Герой социалистического Труда академик Абрам Федорович Иоффе
Существует, в частности, на первый взгляд странное условие: электрон обладает противоречивыми свойствами: он ведет себя не только как частица, но и как волна. Этот факт трудно сразу осознать, физики к нему попросту привыкают — ничего не поделаешь, такова уж особенность <22>мира мельчайших частичек. Но доказано это совершенно неопровержимо.
И вот если учесть волновые свойства электрона и другие специфические особенности мельчайших частиц — их связи друг с другом, их взаимное влияние,— то все, о чем вы читали, удастся изложить совершенно строго, с точным количественным расчетом.
Такая работа очень трудна. На пути физиков появляется масса непредвиденных препятствий. Чтобы освободиться от них, приходится выдвигать разнообразные гипотезы, проводить огромные вычисления, ставить сложные опыты.
Вот почему создание теории полупроводников — замечательная победа науки. Это итог долголетних исканий многих исследователей. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Федоровичем Иоффе.
Сейчас теория полупроводников продолжает развиваться и совершенствоваться.
Итак, наука разгадала секреты электропроводности полупроводников. Стала понятной роль свободных электронов и дырок, а также причина влияния примесей на свойства полупроводниковых материалов.
Что требуется сделать, чтобы получить полупроводник с теми или другими заранее «заказанными» свойствами?
Теория подсказывает: надо сначала тщательнейшим образом очистить материал, а потом чуть «загрязнить» его специально подобранным веществом.
Загрязнить полупроводник, внести в него примесь, труда не составляет. А вот предварительно очистить его бывает подчас очень нелегко. Ведь иной раз требуется довести материал до такой степени чистоты, чтобы на десять миллиардов атомов приходился только один атом-чужак! Попытайтесь-ка найти несколько красных песчинок, затерявшихся в большом самосвале, доверху нагруженном желтым песком! Задания, которые получают химики, очищающие полупроводники, еще труднее: ведь атомы не ухватишь рукой: в одной песчинке их столько, сколько песчинок на морском берегу. И все-таки современная химия и металлургия успешно справляются с этой трудной задачей.
В кварцевой трубке — размолотый в порошок полупроводник. Кольцевая печка медленно движется слева направо. Порошок под ней плавится, и из жидкости выталкиваются примеси. Так полупроводники очищают от примесей.
Засолила хозяйка на зиму бочонок огурцов и поставила его в сарай. Однажды ударил сильный мороз, и рассол сверху замерз. Попробуйте кусочек льда. Вы удивитесь: он совсем несоленый.
Вода вымерзла из рассола в чистом виде, а примесь соли осталась в растворе.
Схема установки для вытягивания полупроводниковых монокристаллов из расплава. Чтобы кристаллизация шла равномерно, ванна с расплавом и кристалл непрерывно вращаются в разные стороны.
Вымерзающее вещество почти всегда чище жидкости, из которой оно кристаллизуется. Явление это давно известно науке, и именно его обычно используют химики для очистки полупроводников. Материал размалывают в порошок и засыпают его в длинную кварцевую трубку толщиной в палец. Трубка укреплена горизонтально. Вдоль нее — от одного конца к другому — еле заметно движется маленькая электрическая печка: кольцо из керамики, с внутренней части которого проложена спираль (как у электроплитки). Эта кольцевая печка, плавит порошок в трубке, а по мере ее перемещения вперед расплав сзади застывает. Примеси словно выталкиваются вперед и отчасти назад (здесь играет роль неодинаковая способность примесей растворяться в твердом и жидком веществах).
В середине трубки получается чистое вещество. Впрочем, и при таком способе очистку приходится повторять много раз.
Для более тщательной очистки практикуют и другой метод: материал плавят, вводят в него маленький очищенный кристаллик, который затем медленно-медленно поднимают наверх. Кристаллик <25>разрастается. Чтобы кристаллизация шла правильнее, сосуд и затвердевший кристалл непрерывно вращают в разные стороны. Иногда всю эту операцию ведут в безвоздушной среде или в специальной защитной атмосфере. Из жидкого камня вытягивается целый столбик очищенного материала. С первого раза он и не всегда достаточно чист. Вытянутые столбики опять плавят, вытягивают новый, более чистый столбик, и так далее.
Получение химически чистых полупроводников — сложнейший производственный процесс. Он требует пока огромных сил и средств. Вот почему полупроводники еще недешевы, несмотря на обилие природного сырья для них. Научиться быстро и просто извлекать это сокровище — вот к чему стремятся сейчас ученые. И они добьются своего. Задача поставлена, путь ее решения виден.
Электропроводность и строение атома
Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Для того, чтобы разобраться, как это происходит, придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенное, даже примитивное, но позволяющее вникнуть в суть процесса, не более, чем нужно для описания работы полупроводников.
В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Планетарная модель атома
Согласно его теории атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.
Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны, электрический заряд которых отрицательный. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, и электрический заряд ядра уравновешивается общим зарядом электронов. В таком случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, то есть не несет положительного или отрицательного заряда.
Если атом потеряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то его называют отрицательным ионом.
На рисунке 2 показан фрагмент периодической таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).
Рисунок 2. Фрагмент периодической таблицы Менделеева
В правом нижнем углу находится столбик цифр. Они показывают, как распределены электроны по орбитам атома, — нижняя цифра самая ближняя к ядру орбита. Если внимательно приглядеться к рисунку 1, то с уверенностью можно сказать, что перед нами атом кремния с распределением электронов 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейших рассуждений можно считать, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегают по одной дорожке, как показано на рисунке 3.
Латинскими буквами на рисунке отмечены оболочки. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последней Q целых 98, меньше можно, больше нельзя. Собственно на это распределение в плане нашего рассказа можно внимания не обращать: нас интересуют только электроны, расположенные на внешней орбите.
Конечно, на самом деле все электроны вращаются вовсе не в одной плоскости: даже 2 электрона, которые находятся на орбите с именем K, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там такое происходит… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.
В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле все намного сложней. Плоская решетка показана на рисунке 4.
Электроны внешнего слоя называют валентными. Именно они и показаны на рисунке (остальные электроны для нашего рассказа значения не имеют). Именно они участвуют в соединении атомов в молекулы, и при создании разных веществ определяют их свойства.
Именно они могут отрываться от атома и свободно блуждать, а при наличии некоторых условий создавать электрический ток. Кроме того, именно во внешних оболочках происходят те процессы, в результате которых получаются транзисторы – полупроводниковые усилительные приборы.
В электротехнике применяются различные материалы. Электрические свойства веществ определяются количеством электронов на внешней валентной орбите. Чем меньше электронов находится на этой орбите, тем слабее они связаны с ядром, тем легче могут отправиться путешествовать.
Под воздействием температурных колебаний электроны отрываются от атома и перемещаются в межатомном пространстве. Такие электроны называют свободными, именно они и создают в проводниках электрический ток. А велико ли межатомное пространство, есть ли простор для путешествия свободных электронов внутри вещества?
Структура твердых тел и жидкостей кажется непрерывной и плотной, напоминающей по структуре клубок ниток. Но на самом деле даже твердые тела больше похожи на рыболовную или волейбольную сеть. На бытовом уровне этого конечно не разглядеть, но точными научными исследованиями установлено, что расстояния между электронами и ядром атомов намного превышают их собственные размеры.
Если размер ядра атома представить в виде шара размером с футбольный мяч, то электроны в такой модели будут размером с горошину, а каждая такая горошина расположена от «ядра» на расстоянии в несколько сотен и даже тысяч метров. А между ядром и электроном пустота – просто ничего нет! Если в таком же масштабе представить расстояния между атомами вещества, размеры получатся вообще фантастические, — десятки и сотни километров!
Хорошими проводниками электричества являются металлы. Например, атомы золота и серебра имеют на внешней орбите всего по одному электрону, поэтому именно они являются наилучшими проводниками. Железо тоже электричество проводит, но несколько хуже.
Еще хуже проводят электричество сплавы с высоким сопротивлением. Это нихром, манганин, константан, фехраль и другие. Такое многообразие высокоомных сплавов связано с тем, что они предназначены для решения различных задач: нагревательные элементы, тензодатчики, образцовые резисторы для измерительных приборов и многое другое.
Для того, чтобы оценить способность материала проводить электричество было введено понятие «удельная электропроводность». Обратное значение – удельное сопротивление. В механике этим понятиям соответствует удельный вес.
Изоляторы, в отличие от проводников, не склонны терять электроны. В них связь электрона с ядром очень прочная, и свободных электронов почти нет. Точнее есть, но очень мало. При этом в некоторых изоляторах их больше, а качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и бумагу. Поэтому изоляторы условно можно разделить на хорошие и плохие.
Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры изоляционные свойства ухудшаются, некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра.
Аналогично удельное сопротивление идеального проводника было бы равно нулю. Но такого проводника к счастью нет: представьте себе, как бы выглядел закон Ома ((I = U/R) с нулем в знаменателе. Прощай математика и электротехника.
И лишь при температуре абсолютного нуля (-273,2C°) тепловые колебания полностью прекращаются, а самый плохой изолятор становится достаточно хорошим. Для того, чтобы определить численно «это» плохой – хороший пользуются понятием удельного сопротивления. Это сопротивление в Омах кубика с длиной ребра в 1 см, размерность удельного сопротивления при этом получается в Ом/см. Удельное сопротивление некоторых веществ показано ниже. Проводимость это величина обратная удельному сопротивлению, — единица измерения Сименс, — 1См = 1 / Ом.
Хорошую проводимость или малое удельное сопротивление имеют: серебро 1,5*10^(-6), читать, как (полтора на десять в степени минус шесть), медь 1,78*10^(-6), алюминий 2,8*10^(-6). Намного хуже проводимость у сплавов с высоким сопротивлением: константан 0,5*10^(-4), нихром 1,1*10^(-4). Эти сплавы можно назвать плохими проводниками. После всех этих сложных цифр следует подставить Ом/см.
Далее в отдельную группу можно выделить полупроводники: германий 60 Ом/см, кремний 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Удельное сопротивление этой группы больше, чем у плохих проводников, но меньше, чем у плохих изоляторов, не говоря уже о хороших. Наверное, с тем же успехом полупроводники можно было назвать полуизоляторами.
После такого короткого знакомства со строением и свойствами атома следует рассмотреть, как атомы взаимодействуют между собой, как атомы взаимодействуют между собой, как из них получаются молекулы, из которых состоят различные вещества. Для этого снова придется вспомнить об электронах на внешней орбите атома. Ведь именно они участвуют в связи атомов в молекулы и определяют физические и химические свойства вещества.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В АТОМАХ
Рис. 3. Через раствор соляной кислоты идёт электрический ток.
Т) тридцатых годах прошлого века при изучении дей — ствия тока на различные растворы учёные впервые столкнулись с одним очень интересным явлением. Это яв-
Ление можно обнаружить в следующем простом опыте.
Нальём в стакан (рис. 3) крепкий раствор соляной кислоты (соляная кислота — это химическое соединение
водорода с хлором) и опустим туда две платиновые пластинки — электроды. Соединим их с полюсами какого-нибудь источника постоянного электрического тока, например, батареи. Мы увидим, что на электродах начнут появляться пузырьки газов. На электроде, соединённом с положительным полюсом батареи, выделяется газ хлор, а на отрицательном — водород.
Будем пропускать через раствор соляной кислоты ток силой в один ампер. Это значит, что каждую секунду через раствор проходит громадный электрический заряд, равный одному кулону.
Заметим кстати, что ток силой в один ампер — это сравнительно слабый ток. В технике часто приходится иметь дело с токами в десятки тысяч ампер.
Но если бы нам удалось получить два заряда в один кулон каждый на двух телах, удалённых один от другого на целый километр, то они оттолкнулись бы или притянулись (в зависимости от знаков зарядов) с силой приблизительно в 900 килограммов. Практически такие заряды получить нельзя. В рассмотренных нами опытах по электризации трением мы имеем дело с зарядами, которые едва ли достигают стомиллионных долей кулона.
Если собрать и взвесить весь хлор, который выделился при прохождении через раствор одного кулона электричества, то оказалось бы, что на электроде выделилось 0,367 миллиграмма хлора. Когда через раствор пройдёт 10 кулонов электричества, хлора выделится ровно в 10 раз больше, то-есть 3,67 миллиграмма. То же самое можно заметить и на отрицательном электроде: если через раствор пройдёт один кулон электричества, то выделится одна сотая миллиграмма водорода, а если пройдёт 10 кулонов, то выделится одна десятая миллиграмма водорода, то-есть опять-таки ровно в 10 раз больше. Сколько бы раз мы ни повторяли этот опыт, результат будет один и тот же.
Вместо соляной кислоты можно взять, например, поваренную соль — соединение хлора с металлом натрием — и проделать такой же опыт с раствором этой соли. Оказывается, и в этом случае можно подметить то же самое: при прохождении через раствор одного кулона электричества на положительном электроде всегда выделяется именно 0,367 миллиграмма хлора.
Как можно объяснить это поразительное соотношение? Почему одному и тому же количеству электричества так строго соответствует одно и то же количество вещества?
Вспомним, как построены окружающие нас тела. Все они состоят из мельчайших частиц — атомов. Атомы могут соединяться друг с другом в более сложные частицы — молекулы. Соляная кислота, например, состоит из таких сложных частиц. В каждую молекулу её входит один атом водорода и один атом хлора. Но если оба эти газа начинают выделяться из раствора соляной кислоты под действием тока, то, значит, молекулы соляной кислоты разрушаются, распадаются в растворе на отдельные атомы.
Водород всегда выделяется из раствора на отрицательном электроде. Не означает ли это, что атомы водорода каким-то путём получают в растворе положительный заряд? Тогда они, конечно, будут притягиваться к отрицательному электроду, как притягивается положительно заряженный бузинный шарик к наэлектризованной палочке сургуча.
Так же просто мы можем объяснить и выделение хлора на положительном полюсе: атомы хлора получают отрицательный заряд и поэтому идут к положительному электроду.
Но почему же одинаковое количество электричества, прошедшего через раствор, всегда связано с одним и тем же количеством выделенного у электродов вещества, то-есть с одним и тем же числом атомов? Может быть, и электрический заряд тоже состоит из отдельных атомов электричества? Тогда можно предположить, что каждый атом вещества несёт с собой один или несколько атомов электричества. И если это действительно так, то мы легко объясним результаты опыта: если через раствор прошёл заряд в один кулон, то, значит, этот заряд был перенесён каким-то совершенно определенным числом атомов вещества.
Можно ли узнать, какой заряд несёт с собой через раствор каждый атом, например атом хлора? Можно. Для этого нужно только подсчитать, сколько всего атомов хлора выделилось на электроде. Мы знаем, что если через раствор прошёл один кулон электричества, то
Выделилось 0,367 миллиграмма хлора. Вес одного атома хлора, как и вес атома любого другого элемента, хорошо известен; значит, можно подсчитать, сколько атомов находится в таком количестве хлора. Зная число атомов, которые перенесли с собой заряд в один кулон, нетрудно вычислить, какая доля кулона приходится на каждый атом.
Опыты по определению зарядов атомов проводились с растворами самых различных веществ, и вычисления зарядов привели к замечательным результатам. Оказалось, что атом хлора, атом водорода, атом натрия, а также атомы некоторых других веществ несут с собой всегда один и тот же и притом очень маленький заряд.
Он равен всего 1х710 ооо ооо ООО ООО ооо сюо кулона (у хлора этот заряд отрицательный, а у водорода и натрия положительный). Есть атомы, у которых заряд ровно вдвое или ровно втрое больше, чем у атомов водорода, но заряд атома никогда не бывает равным полутора, двум с половиной или вообще дробным долям заряда атома водорода.
Какой важный вывод мы можем отсюда сделать? По — видимому, наше предположение о том, что электрический заряд состоит из мельчайших неделимых порций положительного и отрицательного электричества, из атомов электричества, вполне справедливо, и мы вправе считать, что электрические частицы тесно связаны с атомами любых веществ. При растворении эти электрические частицы перемещаются от одного атома к другому так, что один «осколок» молекулы оказывается заряженным положительно, а другой — отрицательно. Такие заряженные осколки молекул были названы ионами, — от греческого слова «ион», означающего идущий, странствующий. Электрический ток в растворах — это два встречных потока положительных и отрицательных ионов.