Джефф Форшоу - Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть

Почему так? Начнем с анализа цепи атомов (как обычно, моделируемой как цепь потенциальных ям), но предположим на сей раз, что в каждом атоме несколько электронов. Разумеется, это нормальное явление – только у водорода всего один электрон связан с одним протоном, так что мы переходим от обсуждения цепочки атомов водорода к более интересному случаю цепочки атомов потяжелее. Нужно вспомнить также о том, что существует два типа электронов – со спином вверх и со спином вниз, а принцип Паули гласит, что мы можем поместить на каждый разрешенный энергетический уровень не более двух электронов. Отсюда следует, что для цепи атомов, каждый из которых содержит всего один электрон (то есть это атомы водорода), энергетическая полоса n = 1 заполнена наполовину. Это показано на рис. 8.7, где мы изобразили энергетические уровни для цепи из пяти атомов. Это значит, что каждая полоса содержит пять отчетливо выделяемых разрешенных энергий. Эти пять энергетических состояний могут принять максимум десять электронов, но нам стоит беспокоиться лишь о пяти, так как в конфигурации с самой низкой энергией цепь атомов содержит пять электронов, занимающих нижнюю половину энергетической полосы n = 1. Если бы у нас в цепи было 100 атомов, то полоса n = 1 могла бы содержать 200 электронов, но в случае с водородом будет только 100 электронов, так что полоса n = 1 в конфигурации с самой низкой энергией вновь заполнится наполовину. Рис. 8.7 показывает также, что происходит в том случае, когда на атом приходится два электрона (гелий) или три (литий). В случае с гелием конфигурация с самой низкой энергией соответствует заполненной полосе n = 1, а в случае с литием – заполненной полосе n = 1 и наполовину заполненной полосе n = 2. Должно быть понятно, что такая схема полного и половинного заполнения будет продолжаться, так что атомы с четным числом электронов всегда будут иметь заполненные полосы, а атомы с нечетным – наполовину заполненные полосы. Степень заполнения полосы, как мы очень скоро выясним, и служит причиной того, почему некоторые материалы оказываются проводниками, а другие – изоляторами.

Рис. 8.7. Расположение электронов в самых низких доступных энергетических состояниях в цепочке из пяти атомов, где каждый атом содержит 1, 2 или 3 электрона. Черные точки обозначают электроны

Сейчас представим, что мы подсоединяем концы атомной цепочки к клеммам батареи. По опыту известно, что, если речь идет об атомах металла, электрический ток будет проводиться. Но что это значит и как это объясняется тем, что мы уже знаем?

Точное действие батареи на атомы внутри провода, к счастью, понимать не надо. Все, что нужно знать, – это что подсоединение к батарее дает источник энергии, способный подтолкнуть электрон, причем всегда в одном и том же направлении. Почему батарея ведет себя именно так? Хороший вопрос. Дело в том, что она создает внутри провода электрическое поле, которое и подталкивает электроны. Это не самое удовлетворительное объяснение, но в пределах книги оно нас вполне устроит. В конце концов, мы могли бы обратиться к законам квантовой электродинамики и попытаться объяснить это явление через взаимодействие электронов с фотонами. Но при этом к разговору, который мы ведем сейчас, не добавилось бы ровным счетом ничего, так что в интересах краткости мы этого не сделаем.

Представьте электрон, находящийся в одном из состояний с определенной энергией. Начнем с предположения, что действие батареи лишь незначительно подталкивает электроны. Если электрон находится в состоянии низкой энергии и многие другие электроны стоят выше его на энергетической лестнице (используя этот образ, мы держим в уме рис. 8.7), он не сможет получить энергетический толчок от батареи. Его заблокируют, потому что более высокие энергетические состояния уже заполнены. Например, батарея способна вытолкнуть электрон на энергетическое состояние несколькими ступеньками выше, но, если все доступные ступеньки уже заняты, наш электрон должен отказаться от получения дополнительной энергии, поскольку двигаться просто некуда. Помните, что принцип Паули говорит о том, что, если все места заняты, дополнительные электроны не смогут попасть выше. Электрон вынужден вести себя так же, как если бы никакой батареи просто не существовало. Иная ситуация с электронами, имеющими самые высокие энергии. Они находятся близко к верху и могут в принципе впитать небольшой энергетический толчок от батареи и перейти на более высокое состояние – но только если не располагаются на самом верху уже заполненной полосы. Вернувшись к рис. 8.7, увидим, что электроны с самой высокой энергией смогут впитать энергию от батареи, если атомы в цепи содержат нечетное число электронов. Если это число четное, то верхние электроны все равно не смогут никуда сдвинуться, потому что в энергетической лестнице наблюдается большой разрыв, преодолеваемый только с помощью очень сильного толчка.

Отсюда следует, что если атомы твердого тела содержат четное число электронов, то эти электроны могут вести себя так же, как если бы к ним не подключали никакой батареи. Ток просто не потечет, потому что электроны не смогут впитать энергию. Это описание изолятора. Единственное исключение – если разрыв между верхней частью самой высокой заполненной энергетической полосы и нижней частью следующей пустой полосы достаточно невелик, и очень скоро нам придется рассмотреть этот случай более подробно. Напротив, если атомы содержат четное число электронов, то верхние электроны всегда будут способны впитывать энергетический толчок батареи. В результате они перескакивают на более высокий энергетический уровень, и, поскольку толчок всегда происходит в одном и том же направлении, в итоге вызывается движение этих мобильных электронов, которое мы и определяем как электрический ток. Очень упрощенно мы можем, таким образом, сделать вывод: если твердое тело состоит из атомов, содержащих нечетное число электронов, оно должно стать электрическим проводником.

К счастью, реальный мир не настолько прост. Так, алмаз – кристаллическое твердое тело, полностью состоящее из атомов углерода, которые содержат шесть электронов, – оказывается изолятором. Графит же, тоже полностью состоящий из углерода, – проводник. Более того, на деле выходит, что правило четного и нечетного числа электронов редко работает. Просто наша модель линий из ям слишком рудиментарна. А вот что совершенно верно, так это то, что хорошие проводники электричества характеризуются возможностью электронов с самой высокой энергией перескакивать в состояния с более высокой энергией, в то время как свойства изоляторов обусловлены тем, что доступ их самых верхних электронов на более высокий уровень блокируется разрывом в лестнице разрешенных энергий.