Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Взаимодействие электронов проводимости с остовами атомов, расположенными в узлах кристаллической решетки, обусловливает высокую теплопроводность металлов. Связь между теплопроводностью, электрической проводимостью и температурой выражается обобщенным законом Видемана — Франца — Лоренца:
^/(о-Г) = сопз1 = 2,4-10"8 В--К (10.1)
где X — удельная теплопроводность, Вт • м-1 • К-1; а — удельная электрическая проводимость, См; Г — абсолютная температура, К.
Электронная эмиссия. Электроны проводимости в металле обладают высокой подвижностью, однако за границу раздела металл — вакуум (или другая сложная среда) они не могут проникнуть. Граница раздела создается положительно заряженными остовами атомов, и для преодоления ее электро
Рис. 147. Схема опыта Холла:
М — магнитное поло; Д ? — разность потенциалов; , — создавшая разность потенциалов
264
ну необходимо получить дополнительную энергию за счет флуктуации тепловой энергии или за счет поглощения лучистой энергии, или при столкновении с поверхностью металла частиц с высокой энергией. Эта дополнительная энергия называется работой выхода электронов (р,, а процесс выхода электронов называют эмиссией. Энергетическая диаграмма выхода электрона на поверхность раздела металла приведена на рис. 148.
Плотность тока электронов, уходящих из металла при его нагреве [термоэлектронная эмиссия, которую впервые наблюдал' Эдисон), описывается уравнением Ричардсона — Дешмена:
Металл дГ Вакуум х
Рис. 148. Энергетическая диаграмма работы выхода электрона <р3
/ = ЛТ2е кТ , (10.2)
где /_— плотность тока эмиссии, А • м-2; А — константа, А • м~2Х X К~2; фэ — работа выхода, эВ или эрг; к — постоянная Больц-мана (в этих же единицах). Уравнение (10.2) применимо для фотоэлектронной эмиссии, открытой А. Г\ Столетовым.
Работа выхода срэ почти в половину меньше потенциала ионизации свободного атома металла. Данные по процессам эмиссии для некоторых металлов приведены в табл. 10.1.
Т а б л и ц а 10.1. Потенциалы ионизации, работа выхода электрона и эмиссионные константы для некоторых металлов
Металл ПИ, я В фч. А • КГ4, А ¦ м~ • К"2 Металл ПИ.эВ фэ, эВ А • 1й~\ А • м~2 • К-*-
Cs 3,86 1,81 162 W 7,98 4,50 60,2
В а 5,21 2,4 60 Re 7,87 5,0 200
Та 7,7 4,12 60 Pt 8,96 5,32 32
Пользуясь данными табл. 10.1, можно определить плотности эмиссионного тока при любой температуре. Работа выхода электрона зависит от состояния поверхности (нанесенные слои), а. также от ориентации поверхности в монокристаллах (100; ПО; 111 и т. д.).
Работа выхода электрона из поверхностного слоя металла может быть снижена в результате наложения электрического поля — автоэлектронная эмиссия.
В последнее десятилетие было открыто явление — экзоэлек-тронной эмиссии, заключающееся в том, что при разрушении металла в условиях высокого вакуума наблюдается выброс электронов с довольно высокими уровнями энергии.
Контактные потенциалы. На границе раздела двух различных
265
металлов возникает контактная разность потенциалов, что обусловлено различной концентрацией электронов проводимости и различной работой выхода электрона у соприкасающихся металлов. Некоторые пары металлов обладают значительной контактной разностью потенциалов. Величина контактной разности потенциалов зависит от температуры, что используется для измерения температур (принцип термопар, широко применяемых в технике).
Термопары с почти линейной зависимостью термоэлектродвижущей силы:, от температуры с широким интервалом измеряемых температур изготовляют из платины и сплава ее с родием. Для измерения очень высоких температур используют термопары из вольфрама и рения, вольфрама и графита, но их надо защищать от действия окислительной атмосферы, так как оксиды рения и вольфрама очень летучи, не говоря уже о графите.
Кристаллические структуры металлов. Деформация внешних электронных орбиталей при кристаллизации и образование ненаправленной металлической связи определяют строение кристаллических решеток металлов. Они отличаются высокими координационными числами (8—12) и относятся к кубической системе: объемно центрированный куб (ОЦК) или гранецентрированный куб (ГЦК), или к гексагональной системе — гексагональная плотная упаковка (ГПУ).
Таким образом, для типичных металлов геометрия' кристаллов очень проста, но многие металлы обладают полиморфизмом, т.' е. образуют аллотропические модификации. Например, железо может образовать объемно центрированную кубическую решетку (ОЦК) (а- ¦ и б-железо) и гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) (7-железо).
Характерной особенностью металлических кристаллов, связанной с ненаправленностыо металлической связи, создаваемой мигрирующими- электронами, является их способность к пластической 'деформации. Смещение плоскостей, заполненных атомами, в кристалле металла не означает его разрушения, если только расстояния между ними изменяются в допустимых пределах, так чтобы металлическая связь не нарушалась.
Смещение плоскостей, так называемые «плоскости скольжения», проявляют себя при состояниях металла, близких к разрушению. Так, например, при растяжении цилиндрических образцов в зоне деформации образуется «шейка» — сужение, причем на поверхности видны слои металла, наклоненные под углом 45° к направлению усилия для кубических решеток (ОЦК й ГЦК) и под углом в 60° для металлов, кристаллизующихся в гексагональной системе (Л^, а-Т1 и др.').
