Гальвани, однако, продолжал кастаивать на своем, он так и умер, не закончив спора. Сегодня в любом учебнике физики можно прочитать, что в споре между Гальвани и Вольта прав был Вольта: электричество возникает при соединении двух разнородных металлов. Вольтов столб есть не что иное, как первая в мире электрическая батарейка. Но не станем спешить с выводами. Заметим только, что Гальвани в споре с Вольта говорил не об электричестве вообще, а о том конкретном электричестве, которое заставляет подергиваться лягушачью лапку.
Твердое тело
Тем, что окружающий нас мир таков, каков он есть, мы обязаны свойствам электрона. Конечно, ядра тоже участвуют в построении картины мира, но они создают как бы сцену, на которой, образно говоря, электроны разыгрывают свои спектакли. Достаточно изменить хотя бы что-нибудь, например разрешить электрону занимать в атоме любые энергетические уровни, как все электроны рано или поздно упадут на соответствующие ядра и мир станет выглядеть невообразимо иначе. К счастью, такого не происходит, и мы продолжаем жить в окружении твердых, жидких и газообразных тел. Сейчас нас интересуют твердые тела, еще точнее, кристаллические твердые тела.
В кристаллическом твердом теле, или, короче, кристалле, электроны всех атомов делятся как бы на две группы: сильно связанные с ядром и не сильно связанные. Последние называют также валентными. Атомные ядра вместе с сильно связанными электронами располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга и образуют регулярную периодическую структуру — кристаллическую решетку. Электромагнитные поля всех валентных электронов и всех атомных остатков складываются, образуя общее электромагнитное поле кристалла. Поле это чрезвычайно сложное, оно обладает периодической структурой. Предположим, что вам удалось измерить, скажем, напряженность магнитного поля в некоторой точке внутри кристалла. Тем самым вы узнали величину и направление векторов напряженности магнитного поля во всех точках внутри кристалла, расположенных на одной прямой и на расстояниях друг от друга, кратных постоянной кристаллической решетки. У большинства кристаллов постоянная кристаллической решетки (она, кстати сказать, различна в различных направлениях) имеет порядок 10~* см.
Радиусы атомных ядер (мы уже говорили об этом) имеют порядок I0-13 см, а расстояния между атомными ядрами—10~8см. Переходя к привычным представлениям, можно сказать, что кристалл выглядит так же, как если бы шарики радиусом, скажем, 1 см располагались на расстояниях друг от друга порядка 1 км. Стоя возле одного такого шарика, вы просто не видели бы всех остальных.
Представляете себе только что нарисованную картину? Кристалл — пространство, заполненное электромагнитным полем, и ничтожную долю этого пространства занимают ядра. Практически все свойства кристалла, такие, как его твердость, упругость, электропроводность, теплопроводность, температура плавления и др., на самом деле представляют собой свойства электромагнитного поля. Масса кристалла почти целиком определяется массой атомных ядер, а некоторые оптические свойства — конфигурацией и постоянными кристаллической решетки.
Валентные электроны в кристалле становятся общими для всего кристалла. В атоме еще можно указать некоторую область, занимаемую тем или иным электроном, а в кристалле для всех валентных электронов такой областью является весь объем кристалла. Валентные электроны находятся в электромагнитном поле кристалла и вносят свой вклад в свойства этого поля. Единственной причиной, удерживающей атомные остатки на своих местах в узлах кристаллической решетки, является все то же электромагнитное поле.
В кристалле, как и в атоме, электроны принимают только некоторые разрешенные значения (уровни) энергии. Уровни группируются в зоны. Каждому одиночному разрешенному уровню электрона в атоме соответствует в кристалле целая разрешенная зона, заполненная уровнями. Каковы бы ни были размеры кристалла, количество уровней в каждой зоне равно количеству электронов, относящихся к этой зоне, поделенному пополам. Для кристалла также справедлив принцип Паули: каждый уровень может быть занят не более чем двумя электронами при условии, что их спины направлены в противоположные стороны.
Валентным электронам соответствует валентная разрешенная зона. Большим по сравнению с уровнями валентной зоны значениям энергии соответствуют одна или несколько свободных зон. При температуре абсолютного нуля все уровни валентной зоны заняты электронами, а все уровни свободной зоны свободны. Валентная и свободная зоны разделены промежутком запрещенной зоны. В пределах запрещенной зоны нет ни одного значения энергии, которым мог бы обладать электрон.