Вопрос о природе электричества

[warg]

Когда я рассматривал природу электрического тока, я увидел странное несоответствие.
Согласно современным представлениям ток в металлах является направленным движением свободных электронов. Для того, чтобы появились свободные электроны они должны покинуть атом.
Энергия ионизации для атома серебра - самого электропроводного металла - составляет ~7,5 эв. Согласно распределению Максвелла? вероятность появления такого электрона составляет ~10^-105. Вероятность туннелирования электрона из атома, согласно формуле Гамова, еще меньше. Следовательно свободных электронов в обычных проводах быть не может.
Однако опыт Толмена и Стюарта показывает, что в металле есть свободные электроны.

Собственно вопрос: что такое электрический ток, если в металле нет свободных электронов?

[ewert]

warg в сообщении #292949 писал(а):

Энергия ионизации для атома серебра - самого электропроводного металла - составляет ~7,5 эв. Согласно распределению Максвелла? вероятность появления такого электрона составляет ~10^-105.

Вот потому-то в газе серебра тока и нет. Однако серебряные проводники обычно находятся не в газообразном состоянии.

[gris]

warg, я как-то тоже задался вопросом, могут ли от атомов кристаллической решётки отрываться невалентные электроны. И много интересного прочёл в книжке Абрикосова "Основы теории металлов". Может быть она немного устарела (?), но изложение там очень хорошее.

[PapaKarlo]

Зонная теория. Лучше, как уже посоветовали, в хорошем учебнике.

[warg]

ewert, распределение максвелла действует для любой системы, не только для газа.

PapaKarlo, зонная теория - это для уже имеющихся свободных электронов. Вопрос - откуда они в металле?

gris, спасибо посмотрю

[PapaKarlo]

warg в сообщении #293187 писал(а):

зонная теория - это для уже имеющихся свободных электронов.

Не совсем. Зонная теория опирается на положение о существовании разрешённых и запрещеных энергетических зон в твёрдых телах. В металлах валентная зона и зона проводимости перекрываются. Подробности - в литературе; вот парочка цитат:

Википедия в статье 'Зонная теория' писал(а):

- проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

- диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

- полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

А.А.Абрикосов в 'Основы теории металлов. Глава I. Электроны в кристаллической решетке' писал(а):

Хорошо известно, что металлы - хорошие проводники электрического тока. Причина этого в том, что внешние электронные оболочки атомов, составляющие металл, в значительной степени перекрываются. Поэтому электроны этих оболочек легко перемещаются от одного атома к другому, так что даже нельзя сказать, какому атому они принадлежат в действительности.

Таким образом, в металлах для появления электронов проводимости нет необходимости в ионизации, что требуется для диэлектриков.

[vicont]

warg в сообщении #292949 писал(а):

Энергия ионизации для атома серебра - самого электропроводного металла - составляет ~7,5 эв. Согласно распределению Максвелла? вероятность появления такого электрона составляет ~10^-105. Вероятность туннелирования электрона из атома, согласно формуле Гамова, еще меньше. Следовательно свободных электронов в обычных проводах быть не может.

Возмем, например, хлор. Атом хлора входит в самые разные химические соединения. Согласитесь, что атом хлора в простом веществе хлор, в поваренной соли, в хлробензоле абсолютно разные вещи. Атомарный хлор и хлор в составе молекулы $Cl_2 также ведут себя по разному.
Кристалл серебра нельзя рассматривать как набор отдельных атомов серебра. Это одна молекула. А перемещение электрона внутри молекулы совсем другой процесс, чем ионизация свободного атома.

[ewert]

warg в сообщении #293187 писал(а):

ewert, распределение максвелла действует для любой системы, не только для газа.

См:

vicont в сообщении #293302 писал(а):

Кристалл серебра нельзя рассматривать как набор отдельных атомов серебра. Это одна молекула. А перемещение электрона внутри молекулы совсем другой процесс, чем ионизация свободного атома.

Максвелл тут вообще не при чём. Даже Гиббс (частным случаем которого Максвелл и является) тоже не при чём, ибо классичен.

А при чём -- то потенциальное поле, в котором электроны движутся. Поле ядра одиночного атома и поле кристаллической решётки, составленной из близко расположенных ядер -- суть вещи совершенно разные. И дело вовсе не в том, что там характерные перепады потенциала разные (они более-менее одного порядка), а в том, что разными оказываются сами типы потенциалов. В одиночном атоме энергетический спектр дискретен, т.е. электрон находится в связанном состоянии. В идеальном кристалле спектр энергий, напротив, чисто непрерывен. Поэтому, в принципе, самое ничтожное возбуждение переводит электрон в свободное состояние. Кроме случаев, когда для перехода в такое состояние требуется перескочить через запрещённый участок спектра, т.е. затратить заметную энергию; тогда и получается диэлектрик или полупроводник.

[warg]

PapaKarlo в сообщении #293191 писал(а):

А.А.Абрикосов в 'Основы теории металлов. Глава I. Электроны в кристаллической решетке' писал(а):

Хорошо известно, что металлы - хорошие проводники электрического тока. Причина этого в том, что внешние электронные оболочки атомов, составляющие металл, в значительной степени перекрываются. Поэтому электроны этих оболочек легко перемещаются от одного атома к другому, так что даже нельзя сказать, какому атому они принадлежат в действительности.

Таким образом, в металлах для появления электронов проводимости нет необходимости в ионизации, что требуется для диэлектриков.

vicont в сообщении #293302 писал(а):

Кристалл серебра нельзя рассматривать как набор отдельных атомов серебра. Это одна молекула.

В той же википедии про серебро:
Плотность - 10,5 г/см³, из чего следует, что атомы находятся на расстоянии 32 нм друг от друга,
Радиус атома - 144 пм (у меня, правда, получилось 161 пм, но все равно)
Т.е. диаметр атома в 200 раз меньше, чем расстояние между ними, соответственно перекрываться электронные облака не могут.

ewert в сообщении #293316 писал(а):

Даже Гиббс тоже не при чём, ибо классичен.

Это к чему, вообще?

vicont в сообщении #293302 писал(а):

В идеальном кристалле спектр энергий, напротив, чисто непрерывен.

т.е. постулаты Бора уже отменили?

[venco]

warg в сообщении #293501 писал(а):

Плотность - 10,5 г/см³, из чего следует, что атомы находятся на расстоянии 32 нм друг от друга

Плохо посчитали.

[warg]

Хмм... Да, действительно... пересчитал, получилось 320 пм - примерно диаметр атома.
Это, конечно, не свободные электроны, но они могут двигаться внутри проводника переходя от одного атома к другому.

Всем спасибо!

[ewert]

warg в сообщении #293501 писал(а):

т.е. постулаты Бора уже отменили?

Да, и очень давно. Как постулаты.

[Comanchero]

warg
В металлах, для того чтобы электрону начать "движение" достаточно перейти на более высокий энергетический уровень, всегда имеющийся в проводниках , который вовсе не равен энергии ионизации атома, а много меньше неё.