Возникновение свободных электронов в металлах
Если мы рассматриваем одиночный изолированный атом, то работа, затрачиваемая на отрыв электрона от атома, довольно велика, обычно в пределах 5–25 эВ (напомним, что в энергетической шкале 1 эВ соответствует температура 11600 К).
Однако в металлических кристаллах свободные электроны существуют даже при очень низких температурах. Отсюда следует, что при объединении большого числа атомов в кристалл потенциал ионизации заметно снижается, так что уже при очень низких температурах возможна практически полная ионизация. Это снижение потенциала ионизации при сильном сближении многих атомов обусловлено изменением формы потенциального барьера атома под влиянием поля соседнего атома. При этом следует иметь в виду, что расстояние между центрами атомов в решетке приблизительно равно диаметру электронной оболочки, так что возмущением потенциала со стороны соседнего атома нельзя пренебрегать [1].В атомах обычно поле ядра деформируется вследствие воздействия полей электронов оболочки, так что характер изменения потенциала j(r) не будет таким простым, как у атома водорода (~1/r).
Тем не менее в основном сохраняется воронкообразная форма потенциальной ямы, как это схематически показано на рис. П1. для атома натрия.
Рис. П1. Потенциальная яма и распределение электронов в атоме натрия (схематически)
Потенциальная энергия электрона еj(r) отрицательна и стремится к нулю при r ® ¥. На схеме указана также заселенность уровней. В атоме натрия нужно разместить в общей сложности 11 электронов. Заметим, что К- и L-оболочки натрия полностью заполнены, тогда как М-оболочка - частично и содержит только один электрон, называемый валентным, или оптическим.
Если теперь много таких атомов объединяются в некое кристаллическое образование, то их потенциалы, являющиеся скалярами, складываются аддитивно; в результате возникает состояние, схематически изображенное на рис.
П2.Здесь для простоты приведено только одномерное упорядоченное расположение атомов, Можно видеть, что результирующая кривая, описывающая изменение потенциала (обозначенная пунктиром), всюду смещена вниз и нигде внутри атомной цепочки потенциал не равен нулю. Вследствие этой деформации потенциала отрыв 3s-электрона от атома не требует дополнительных энергетических затрат, т.е. энергия ионизации равна нулю, так как теперь препятствующий этому потенциальный барьер располагается ниже уровня энергии электрона (см. рис. П2).
Рис. П2. Изменение потенциала вдоль атомной цепочки в решетке натрия. Указана также заселенность уровней
Валентные электроны можно считать вполне свободными, они образуют электронный газ.
Электроны, находящиеся на более глубоко лежащих оболочках (1s, 2s и 2р), расположены ближе к ядру и связаны так прочно, что деформация потенциала, обусловленная возмущающим воздействием ближайших соседей, недостаточна, чтобы вырвать их из сферы притяжения ядра. Поэтому эти электроны остаются связанными.