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.
Следует признаться, что слова «объем», «давление», «температура» отражают реальность в той же степени, как и слова «поселился» и «живет» по отношению к электрону. Тем не менее продолжим наш опыт со стержнями. Электрохимический потенциал, а значит, средняя кинетическая энергия, температура и давление, слева выше, чем справа. Под влиянием более высокого давления граница, отделяющая левый стержень от правого, как бы смещается вправо. А результат? В правом стержне накапливается какое-то количество избыточных электронов, точнее, избыточный отрицательный заряд.
Наконец, третье объяснение. Вся окружающая нас природа подчиняется фундаментальному закону, известному под названием второго начала термодинамики: во всякой изолированной физической системе обязательно возникают процессы, направленные в сторону установления равновесия (если таковое еще не достигнуто). Соединив вместе два металлических стержня, вы получили неравновесную систему: потенциал слева выше, чем потенциал справа. Конфигурация электромагнитного поля (она одна изменяется на самом деле) меняется таким образом, чтобы восстановилось равновесие. Достичь этого можно единственным способом — создавая разность электрических потенциалов, равную по величине и противоположную по знаку исходной разности электрохимических потенциалов.
