Этюды о симметрии - Синг Дж.Л.
Скачать (прямая ссылка):
важные сведения о строении твердых тел. Внешние, или валентные, электроны
определяют все химические свойства атома. На фиг. 3 сплошной линией
показана плотность валентных электронов как функция расстояния от ядра.
Кроме того, на оси абсцисс отмечено положение ближайшего соседа, а
пунктирной кривой показано распределение плотности валентных электро-
') Eyring Н., Scientific Monthly, 39, 415 (1934).
6. О структуре твердых тел
9?
нов ближайшего соседа вдоль прямой, соединяющей его с Первым атомом. На
фиг. 3, а обе кривые даны для гелия, наиболее характерного представителя
молекулярных кристаллов; на фиг. 3, б - для валентного кристалла кремния;
на фиг. 3, в - для типичного металла - натрия и на фиг. 3,г - для решетки
Фиг. 3. а - распределение заряда двух соседних атомов гелия в
Кристаллической решетке.
б - распределение заряда валентных электронов в свободном атоме кремния
(сплошная кривая).
Пунктирной кривой показано распределение заряда валентных электронов
другого атома кремния, расположенного от первого на таком же расстоянии,
как в решетке.
в - распределение заряда валентных электронов в свободном атоме натрия
(сплошная кривая).
Пунктирной кривой показано распределение заряда валентных электронов
другого атома натрня, расположенного на расстоянии, равном расстоянию
между ближайшими соседями в кристаллической решетке.
г - распределение заряда валентных электронов в ионах калия (сплошная
кривая) и хлора (пунктирная кривая).
Расстояние между нулями двух функций распределения равно расстоянию между
ближайшими ионами в решетке КС1.
КС1, Очень напоминающей решетку обычной поваренной соли.
Сразу же заметно существенное различие между молекулярным и ионным
кристаллами (фиг. 3, а и г), с одной стороны, и валентным кристаллом и
металлом (фиг. 3, б и в) -с другой. У первых перекрытие электронных
облаков мало, у вторых электронные облака перекрываются настолько сильно,
что невозможно сказать, какому атому принадлежит определенный валентный
электрон. В молекулярных и ионных кристаллах атомы или ионы, хотя и
испытывают притяжение со стороны своих соседей, однако на распределении
их заряда оно сказывается лишь незначительно. Иначе обстоит дело в
металлах и валентных кристаллах. В этих случаях между атомйми нет области
98
/. Симметрия и другие физические проблемы
с малой плотностью заряда и, следовательно, запрещенной для электронов.
Электроны могут переходить от одного атома к другому. Таким образом,
валентные электроны свободно передвигаются по всей решетке и принадлежат
всей решетке. Это обстоятельство имеет решающее значение для свойств
упомянутых веществ.
Элементарные составные части молекулярной и ионной решеток можно считать
независимыми. Борновская классическая теория механических, электрических
и тепловых свойств кристаллов, рассматривающая атомы и ионы решетки как
индивидуальные частицы, достигла при изучении молекулярных и ионных
кристаллов выдающихся успехов.
Сильное различие в поведении веществ этих двух классов обусловлено разным
характером составных частей их решеток. В первом случае - это нейтральные
атомы, в ионных решетках - заряженные частицы. Электрические силы,
действующие между ионами, очень велики, что приводит к значительным силам
сцепления, большой теплоте испарения и высокой твердости. Расстояния
между соседними ионами, как видно из фиг. 3, совпадают с расстояниями
между максимумами кривой распределения заряда. Значения радиусов ионов,
вычисленные Полингом в Калифорнии, оказались в отличном согласии со
значениями, полученными Гольдшмидтом из наблюдений. Ионные решетки
устроены так, что положительные ионы в них всегда окружены отрицательными
ионами, а отрицательные ионы - положительными (см. решетку на фиг. 1).
Поскольку противоположные заряды притягиваются, внутри этих решеток
возникают значительные силы сцепления.
Природа сил в молекулярных решетках не столь проста. Ван-дер-Ваальс был
первым, кто предположил, что конденсацию вызывают те же силы, которые
обусловливают отклонения в поведении реальных газов от законов идеального
газа. Для случая молекулярных решеток гипотеза оказалась верной. Свойства
этих сил были изучены Лондоном и Ваном методами квантовой механики, а
сами силы получили название вандер-ваальсовых.
Притяжение между элементарными составными частями молекулярной решетки не
может быть электростатическим, поскольку эти части лишены заряда. Понять
природу вандерва-альсовых сил, рассматривая электроны как облака
распределенных зарядов, невозможно, но стоит лишь вспомнить о
корпускулярной природе электронов, как сразу становится ясно, что
электроны могут образовывать с ядром диполи. Вследствие быстрого движения
электронов направление таких диполей изменяется очень быстро. На диполь с
постоянной ориентацией в среднем будет действовать сила, равная нулю,
поскольку при-
6. О структуре твердых тел
99
тяжение для одной ориентации компенсируется отталкиванием для
