Частные уроки по физике

Атомы и ионы
Атом, как известно, состоит из различных мельчайших частиц: электронов, имеющих наименьший, известный в природе отрицательный заряд и массу, в 1 837 раз меньшую массы водородного атома; протонов, имеющих положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, и массу, почти равную массе атома водорода; нейтронов, не имеющих электрического заряда, но имеющих массу, почти равную массе иротона.

Эти элементарные частицы входят в состав всех атомов, но в различном количестве, что и обуславливает отличие атомов друг от друга. Согласно теории проф. Д. Д. Иваненко ядро атома состоит из протонов и нейтронов, общее число которых определяет атомный вес А элемента. Порядковый номер Z элемента в системе Менделеева равен числу протонов в ядре данною элемента; тогда число нейтронов равно А Z.

Количество электронов, составляющих внешнюю электронную оболочку данного атома, равно числу протонов, входящих в состав ядра этого атома, т. е. равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. В целом атом любого элемента является электрически нейтральной системой, так как число протонов ядра, имеющих положительный заряд, равно числу электронов внешней оболочки, имеющих отрицательный заряд такой же величины.

Разрушить атомное ядро большинства элементов очень трудно, но электроны внешней оболочки довольно легко отрываются от атома под действием различных внешних сил. Этот процесс отрыва электрона от атома носит название ионизации, а сам атом, потерявший электрон, уже перестает быть нейтральным и превращается в положительный ион, положительный электрический заряд которого равен по абсолютной величине заряду потерянного электрона.

Благодаря этой способности электронов довольно легко отделяться от атомов они чаще других частиц находятся в свободном состоянии. Простейшим атомом является атом водорода Н, в составе которого имеется ядро из одного протона и электронная оболочка из одного электрона. Атом гелия Не состоит из ядра с двумя протонами и двумя нейтронами и электронной оболочки из двух электронов. Вообще, чем тяжелее атом, тем сложнее его структура.

Все частицы в атоме удерживаются действующими между ними силами, вследствие чего для разрушения атома, или даже только для раздвижения его частиц, обычно необходимо совершить работу, направленную против действия этих сил, т. е. увеличить энергию атома, которую мы будем называть его внутренней энергией. Электроны в твердых телах

Все, что выше говорилось о внешних электронах оболочки атомов, относилось к изолированным атомам, которые можно считать находящимися весьма далеко от всяких других частичек (атомов, ионов, электронов и макроскопических тел), как, например, можно почти всегда рассматривать атомы газа. Если же атомы начинают сближаться или остаются в этом состоянии длительное время, то внешние электроны каждого из атомов испытывают действие электрических сил от соседних частиц, в результате чего ослабляется связь этих электронов со своим атомом.

В твердых телах каждый атом со всех сторон окружен соседними атомами и при том -гак тесно, что каждый из атомов уже никак нельзя считать изолированным. Внешние электроны атомов становятся настолько слабо связанными со своими атомами, что их уже невозможно считать принадлежащими каждый одному определенному атому. Оказывается даже, что внешние электроны атомов в металле могут свободно передвигаться в различных направлениях. Поэтому их совокупность рассматривают, как своего рода газ "электронный газ", заполняющий металл и обладающий особыми свойствами.

В обычных газах, например в воздухе, молекулы и атомы движутся в пространстве хаотически с различными по величине и направлениям скоростями v, причем распределение молекул по скоростям подчинено закону Максвелла. Как видно, чем выше температура газа, тем выше скорости большинства молекул его,. хотя теоретически при любой температуре выше 0° К есть некоторая отличная от нуля вероятность найти молекулу с любой скоростью в пределах между w==0 и v=m.

Казалось бы, эти представления можно применить и к электронному газу в металле. Вместо максвелловокого распределения по скоростям необходимо применить для электронов в твердых телах другой закон, основанный на квантовой статистике. Согласно этой теории электроны даже при Г=:0оК обладают определенной кинетической энергией, максимальные значения которой Wt различны для разных металлов.

При повышении температуры это распределение по скоростям меняется очень незначительно. Поэтому можно без особой ошибки считать, что максимальная кинетическая энергия электронов в твердых телах при обычной комнатной температуре будет приблизительно равна W. Как указывалось выше, валентные электроны свободно перемещаются внутри металла, но без постороннего воздействия лишь отдельные электроны, обладающие случайно очень большой энергией, способны вылететь за пределы металла.

Подавляющее большинство электронов покинуть металл без получения энергии извне не может. Происходит это потому, что у .поверхности металла имеются силы, которые, действуя на приближающиеся к поверхности электроны, препятствуют свободному их вылету. Силы эти вызываются следующими причинами: Вблизи поверхности металла существует как бы "электронная атмосфера" из электронов, вылетающих на мгновения из металла, но не могущих значительно удалиться от поверхности.

Этот отрицательно заряженный слой электронной атмосферы над поверхностью препятствует вылету большей части электронов из металла, причем электроны с большими энергиями, способные все же преодолеть эту тормозящую силу, вылетая из металла, сами тормозят вылет последующих электронов, увеличивая действие отрицательного слоя своим зарядом. Очень быстрые электроны, отрываясь совсем от металлической поверхности и находясь на некотором (расстоянии от нее, поляризуют металл, причем возникают силы притяжения между электроном и положительным зарядом, наведенным на поверхности металла.

Для преодоления этих сил нужно затратить некоторую энергию, которая может быть охарактеризована эквивалентным изменением потенциала вблизи поверхности. Таким образом, оказывается, что к собственной максимальной энергии электрона в металле Wt надо добавить еще некоторую величину для перенесения электрона на большое расстояние от поверхности металла, т. е. для вылета электрона из металла.

Высота потенциального барьера зависит от состояния поверхности металла. Так, например, если поверхность металла покрыта слоем атомов другого вещества (называемых обычно адсорбированными), то в зависимости от рода этого вещества может произойти повышение или понижение высоты потенциального барьера (увеличение или уменьшение работы выхода). Это объясняется тем, что благодаря одностороннему действию со стороны основного металла, посторонние атомы, находящиеся на его поверхности, поляризуются.

Поляризация может быть двух видов, в зависимости от рода основного металла и от рода атомов на поверхности: если поляризация происходит так, что положительный заряд атома располагается дальше от поверхности основного металла, а электроны атома смещаются К металлу, то вещество, атомы которого находятся на .поверхности, называется электроположительным ш отношению к основному металлу.


Спонсор публикации: