Металлические структуры характеризуются тем, что они имеют довольно редкое расположение атомов (межъядерные расстояния большие) и большое число ближайших соседей у каждого атома в кристаллической решетке. В табл. 1.2 указаны три типичные металлические структуры. Каждый атом участвует в образовании столь большого числа связей, что все они не могут быть одновременно локализованы, поэтому связь должна осуществляться за счет резонанса внешних электронов каждого атома для всех возможных мод колебаний. Во многих металлах для образования такой связи достаточно взять по одному электрону у каждого атома. Именно это происходит в литии, у которого на внешней оболочке (следующей за заполненной /(-оболочкой) имеется всего один электрон. Кристалл лития следует рассматривать как решетку ионов Li+ (шаров радиусом 0,68 А), окруженных электронным газом, плотность которого составляет один электрон на атом. Слабость каждой отдельной связи проявляется в том, что межъядерные расстояния в металлах больше, чем в двухатомных молекулах. Так, согласно табл. 1.2, расстояние Li—Li в кристалле лития составляет 3,04 А, в то время как в молекуле Ыг с ковалентной связью оно равно всего 2,67 А. Однако полная энергия связи в металлических кристаллах больше, чем Таблица 1.2. Некоторые^характеристики трех наиболее распространенных структур металлов Структура Металл Число ближайших соседей Го О. ц. к. Литий 8 атомов на расстоянии г0 3,04 А 6 атомов на расстоянии 2г0/У1Г Г. ц. к. Медь 12 атомов на расстоянии г0 2,56 А (к. п. у.) Г. п. у. Цинк 12 атомов на расстоянии г0 2,66 А Таблица 1.3. Краткая классификация типов связи в твердых телах Тип связи Типичные примеры Вещество Кристалическая структура Энергия связи, эВ/моле- кула Расстояние между ближайшими о соседями, А Некоторые характерные свойства Вандерваальсова (молекулярные кристаллы) Аргон Г. ц. к. Хлор Тетрагональная Водород Г. п. у. 0,1 0,3 0,01 3,76 4,34 3,75 Низкие температуры плавления и кипения Высокая сжимаемость Высокие диэлектрические свойства Прозрачен для фотонов с энергией в далекой УФ-области Кремний Кубическая (ал- 3,7 2,36 маз) Низкая сжимаемость и высокая прочность. Во многих случаях высокая температура плавления Ковалентная InSb Кубическая (цин- 3,4 2,80 ковая обманка) Mg2Sn Кубическая (флю- 1,0 2,92 орит) Диэлектрики или полупроводники Сильное поглощение фотонов с энергиями выше края собственного поглощения, прозрачны (в отсутствие примесей) для ббльших длин волн Продолжение табл. 1.3# Тип связи Типичные примеры Вещество Кристаллическая структура Энергия связи, эВ/моле- кула Расстояние между ближайшими о соседями, А Некоторые характерные свойства Ионная КС1 Кубическая (ка- 7,3 3,14 менная соль) AgBr Кубическая (ка- 5,4 2,88 менная соль) BaF2 Кубическая (флю- 17,3 2,69 орит) Довольно пластичны. Часто диссоциируют при нагревании. Диэлектрики при низких температурах Дефекты решетки обусловливают ионную проводимость при Lболее высоких температурах Обладают поглощением остаточных лучей в ИК-области спектра и собственным поглощением Водородная Лед Гексагональная 0,5 1,75 Множество аллотропных форм Не проводят электрического тока Высокие диэлектрические свойства Оптическая прозрачность Металлическая Натрий О. ц. к. 1,1 3,70 Серебро Г. ц. к. Никель Г. ц. к. 3,0 4,4 2,88 2,48 Большое межатомное расстояние и высокое координационное число Хорошая электропроводность Отсутствие прозрачности и высокая отражательная способность в ИК- и видимой области спектра Прозрачны в УФ-области спектра 42 Гл. I. Кристаллическая структура и форма твердых тел в отдельных молекулах, поскольку общее количество связей в кристалле металла значительно возрастает (хотя каждая из них и становится слабее). Таким образом, энергия связи в расчете на один атом увеличивается от 0,6 эВ у Ыг до 1,8 эВ у кристаллического лития. В гл. 3 и 4 мы неоднократно будем пользоваться квантово- механическим представлением о металлах как о совокупности положительно заряженных «ионных остовов» с большими промежутками между ионами, заполненными «электронным газом» таким образом, чтобы на макроскопическом уровне система оставалась электронейтральной. Здесь мы ограничимся следующими замечаниями: 1. Волновые функции электронов, составляющих этот газ, сильно перекрываются; волновые функции полностью делокали- зованы (и при наличии периодического ионного потенциала представляют собой блоховские функции). 2. Не все электроны, участвующие в образовании связи (валентные электроны), имеют одну и ту же энергию. Связь в металлических кристаллах обусловливается тем, что средняя энергия валентного электрона меньше, чем у изолированных атомов. На рис. 3.39 в разд. 3.4 (зонная теория твердых тел) это проиллюстрировано для металлического натрия. 3. Для более строгого рассмотрения металлической связи необходимо учесть электростатическое отталкивание электронных остовов (экранированных электронным газом), вандерваальсово притяжение между этими ионами и их отталкивание за счет перекрытия электронных оболочек (последние два взаимодействия очень слабы), связь, обусловленную незаполненностью внутренних оболочек (имеющую большое значение для переходных элементов типа железа), а также корреляцию электронов внутри электронного газа. Развитие физики в 1950-е и 1960-е годы достигло такого уровня, при котором некоторые из перечисленных взаимодействий вполне реально рассчитать.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Металлическая связь» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
