Кристалл имеет весьма сложное электромагнитное поле с периодической структурой. Во всех случаях, не требующих учета массы, на атомные ядра в кристалле можно просто не обращать внимания. В электромагнитном поле распределены электроны. Бессмысленно говорить о местоположении отдельного электрона, но где бы он ни находился, электрон оказывает влияние сразу на все поле. Если каким-то образом из кристалла извлечь один электрон, весь кристалл, именно весь, а не какой-то его участок, приобретет свойства положительно заряженного тела.
Кристалл представляет собой как бы трехэтажный дом. В первом, самом нижнем этаже расселены сильно связанные электроны атомных остатков. Они почти не принимают участия в «событиях», происходящих в кристалле. Причем слово «расселены» применительно к электронам — это не авторская вольность, а научный термин. Второй этаж соответствует валентной зоне. Когда этот этаж заселен полностью, никакое упорядоченное движение в кристалле невозможно. Третий, верхний этаж соответствует свободной зоне. Живущие здесь электроны могут вытворять все что угодно. И знаете, что самое интересное? Порядки на каждом нз этажей ни в коей мере не зависят от того, что творится на других этажах.
Металлы
Что представляют собой металлы? Большинство из них — кристаллические твердые тела, у которых запрещенная зона отсутствует, а свободная зона пересекается с валентной. Валентные, электроны металлов могут участвовать в любых упорядоченных движениях, поэтому металлы, как правило, хорошие проводники электрического тока. Но нас интересует другое. Возвращаясь к аналогии с трехэтажным домом, скажем, что у металлов, как и у других твердых тел, нижний, энергетический этаж заселен полностью. Поэтому электроны, которым не досталась «квартира» в нижнем этаже, селятся на втором и третьем (у металлов они объединены) этажах и, следовательно, обладают высокими по сравнению с нижним этажом значениями энергии.
Так происходит всегда, даже когда температура металла равна абсолютному нулю. Наличие в металлах, как, впрочем, в любых телах, относительно энергичных электронов определяется ее тем, что кто-то (или что-то) специально сообщил им дополнительную энергию, а фундаментальным заионом природы, получившим название принципа Паули. Если электрон не успел занять квартиру в нижнем этаже, ему не остается ничего другого, как приобрести у соседей дополнительную энергию и разместиться на втором этаже, а то и на третьем. Мы уже говорили, что валентные и свободные электроны любого тела и при любых условиях, в том числе и при температуре абсолютного нуля, обладают неким запасом энергии, этот запас есть не что иное, как химическая энергия данного вещества.
Среднее значение энергии электронов — жителей верхних этажей — называется электрохимическим потенциалом. Как валентная, так и свободная энергетическая зона получается в результате расщепления одного энергетического уровня данного атома. У разных веществ эти уровни различны, разлотиы положения на оси энергий валентных и свободных зон, различны значения электрохимических потенциалов.
Есть кентакт!
Крепко прижмите друг к другу дна стержня из разных металлов. Предположим, у левого стержня электрохимический потенциал выше, у правого—ниже. Электроны справа и электроны слева обладают кинетической энергией, т. е. находятся в непрерывном движении, причем движутся беспорядочно. После того как вы нрижали стержни, часть электронов отрава перейдет в левый стержень (ведь электроны перемещаются во все стороны'), а часть электронов с левого стержня —в нравы*. Электроны с левого стержня обладают большей средней кинетической энергией, поэтому они двигаются быстрее, и в единицу времени слева направо перейдет больше электронов, чем справа налево. Постепенно электроны етаиут накапливаться в нравом стержне.
Если бы электроны можно было уподобить шарикам, переходящим с места на место, наша задача неизмеримо облегчилась бы. К сожалению, говоря «электрон движется», mt оказываемся ничуть не ближе к реальности, чем когда говорим «электрон живет в верхнем этаже энергетического дома». На самом деде все сложнее (а может быть, проще?). Электрой, который, по-нашему, движется в свободной зоне, может внезапно исчезнуть, «ировалиться» в валентную зону. Такое явление называют рекомбинацией, и есть в нем нечто примечательное. Если имеется хоть какая-то возможность говорить о пространственном положении электрона, то при рекомбинации оно сохраняется неизменным. А с точки зрения интересующих нас процессов электрон исчезает.
Попытаемся сказать иначе. Электроны в свободной зоне представляют своеобразный газ. Этот газ занимает некоторый объем (объем взятого образца) и создает определенное давление. Произведение из давления на объем пропорционально «температуре» электронного газа. Температура, в свою очередь, пропорциональна его средней кинетической энергии.