Question

Dlaczego metale dobrze przewodzą prąd?

Answer 1

Atomy pierwiastków tworzących wiązania metaliczne charakteryzują się tym, że ich zewnętrzne elektrony walencyjne są przyciągane przez Jądro znacznie słabiej Niż u atomów pierwiastków niemetalicznych. Przy kondensacji par metali elektrony walencyjne tracą wieź z oddzielnymi atomami. i stają się wspólne dla całego kryształu wiążąc ze sobą rdzenie atomowe. Uwspólnienie elektronów walencyjnych jest nowym
typem wiązania chemicznego wywołującego występowanie wielu Cech charakterystycznych dla metali, przede wszystkim ich dobrego przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Podobieństwo między wiązaniem atomowym a metalicznym polega na tym, że w obu typach wiązań występuje uwspólnienie elektronów Wiązanie atomowe łączy z sobą jedynie najbliższe Atomy a uwspólnione elektrony tworzące te wiązania są zlokalizowane w pobliżu tych atomów natomiast w przypadku wiązania metalicznego mamy do czynienia z delokalizacją tych elektronów. Z tego powodu większość kryształów atomowych charakteryzuje się dużą kruchością, a kryształów metalicznych dużą plastycznością. Elektronowa Teoria ciała stałego zajmuje się opisem zachowania się w krysztale rdzeni atomowych tworzących Sieć przestrzenną oraz elektronów walencyjnych uczestniczących w tworzeniu się wiązań chemicznych pomiędzy tymi rdzeniami. Najsłabiej związane elektrony walencyjne mogą już pod działaniem niezbyt dużych sił wyzwolić ze strefy oddziaływania danego rdzenia i wędrować po krysztale. Takie elektrony odpowiedzialne są za wiele specyficznych właściwości ciał stałych. . np. Przewodnictwo elektryczne. Przewodnictwo elektryczne w ciałach stałych. polega na ruchu
nośników ładunków elektrycznych, np. elektronów; Wartość przewodnictwa zależy więc od Liczby tych nośników w ciałach stałych. Pod tym względem ciała stałe dzielą się na 3 grupy: przewodniki (metale), Półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. Przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperaturach bliskich 0°K Staje się ono bardzo duże (nadprzewodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielektryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich Półprzewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektrycznego. Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w metalach Liczba swobodnych elektronów jest bardzo duża ; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa Teoria metali. W powstała ogólniejsza, kwantowo-mechaniczna Teoria, tzw. Teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektrycznego ciał stałych.. W swobodnych atomach elektrony powłoki atomowej znajdują się w określonych stanach (poziomach) energetycznych opisywanych liczbami kwantowymi; stany te oddzielone są strefami energii wzbronionej. Zgodnie z Pauliego zasadą wykluczenia poszczególny Stan mogą zajmować 2 elektrony o przeciwnie skierowanych spinach. Każdy Elektron powłoki może być przeniesiony ze swego stanu podstawowego do stanu wyższej energii stanu wzbudzonego (jeżeli Stan ten jest nie obsadzony), np. w wyniku pochłonięcia kwantu energii. Ponieważ Sieć składa się z identycznych, rozmieszczonych w sposób periodyczny atomów, zakłada się, że nierozróżnalność atomów rozciąga się na elektrony ich powłok. Wszystkie elektrony należą więc do całego kryształu, traktowanego jako jedna wielka cząsteczka. Oznacza to, że każdy dozwolony poziom energetyczny swobodnego atomu musi być teraz zastąpiony przez pasmo b. bliskich siebie dozwolonych poziomów energetycznych, gdyż elektrony dostarczone do wspólnoty przez poszczególne Atomy nie mogą obsadzać tego samego stanu kwantowego. W krysztale zawierającym N atomów istnieje więc tyleż stanów w każdym dozwolonym paśmie energii. Pasmo obsadzone przez elektrony walencyjne nosi nazwę pasma podstawowego lub walencyjnego, najbliższe dozwolone pasmo puste odpowiednik stanów wzbudzonych w atomach swobodnych- nazywa się pasmem przewodnictwa. W temp. 0°K elektrony obsadzają parami najniższe stany energii w paśmie; jeżeli Atomy mają po jednym elektronie walencyjnym (np. Atomy metali alkalicznych), to pasmo podstawowe jest tylko w połowie wypełnione. Obecność nie obsadzonych stanów w tym paśmie umożliwia Ruch elektronów wewnątrz pasma, a więc decyduje o przewodnictwie elektrycznym Liczba elektronów przewodzących Prąd elektr. (tzw. elektronów przewodnictwa) jest tego samego rzędu co Liczba atomów w sieci krystalicznej (tzn.1022 na cm3) .Z nierozróżnialności elektronów w paśmie dozwolonej energii wynika, że się nie zmieni Stan energetyczny kryształu, jeśli 2 elektrony zamienią swoje miejsca i stany; Stan wzbudzenia energetycznego w dowolnym węźle sieci krystalicznej może się zatem przenosić na wszystkie równoważne węzły sieci; w ten sposób interpretuje się rozchodzenie się wzbudzeń optycznych i elektronów w krysztale. Gdy pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa zachodzą na siebie, tzn., gdy nie oddziela ich Strefa energii wzbronionej, ciał stałych. jest przewodnikiem (np. metale).