Герман фон Гельмгольц
Даже в XIX веке в первичности механики не сомневался Гельмгольц.
Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, то есть слияние этих наук с механикой.
Представление о «тонких материях», переносящих тепло, электричество и магнетизм, в XVIII веке сохранилось и даже расширилось. В существования теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея; однако другой лагерь, в который входили Декарт, Гук, Даниил Бернулли и Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы.
В начале века голландец Фаренгейт изобрёл современный термометр на ртутной или спиртовой основе, и предложил шкалу Фаренгейта. До конца века появились и другие варианты: Реомюр (1730), Цельсий (1742) и другие. С этого момента открывается возможность измерения количества тепла в опытах.
1734: французский учёный Дюфе обнаружил, что существуют 2 вида электричества: положительное и отрицательное.
1745: изобретена лейденская банка. Франклин развивает гипотезу об электрической природе молнии, изобретает громоотвод. Появляются электростатическая машина, электрометр Рихмана.
1784: запатентована паровая машина Уатта. Начало широкого распространения паровых двигателей.
1780-е годы: открыт и обоснован точными опытами закон Кулона.
Вопрос 31. Энергетические уровни свободных атомов. Обменное взаимодействие. Обобществление электронов в кристалле. Энергетические зоны.
Энергетические уровни свободных атомов
Зона, образованная уровнями энергии, на которых находятся валентные электроны в основном состоянии атома, называется валентной зоной.
При абсолютном нуле валентные электроны заполняют попарно нижние уровни валентной зоны.
Зона проводимости - образована энергетическими уровнями, находясь на которых электрон является обобществленным, т.е. не связанным с отдельным атомом (зона свободных электронов). Если в зоне проводимости есть электроны, то при приложении электрического поля по веществу будет протекать ток.
В металлах (I) валентная зона не полностью заполнена электронами. Электронам, находящимся на верхних энергетических уровнях, достаточно сообщить энергию ~10-23 эВ, чтобы перевести их на более высокие уровни, сделать свободными. Энергия теплового движения (kТ) составляет при 1К величину порядка 10-4 эВ, т.е. при " температурах имеются свободные электроны и такое твердое тело будет проводником, т.е. в металлах (I) валентная зона частично заполнена и является зоной проводимости. В металлах (II) зона проводимости перекрывается с валентной зоной. В этом случае образуется широкая «гибридная» зона, которую валентные электроны заполняют лишь частично. Выше занятых уровней расположены свободные уровни и такое твердое тело, как и в случае (I) будет проводником.
Зонная теория твердых тел позволила объяснить, почему электропроводимость не возрастает с увеличением валентности металла, как это следует из кинетической теории. Al3+, следовательно, имеет 3 валентных электрона, т.е. проводимость по классической теории должна быть больше чем у Cu1+ ( 1 валентный электрон ). С современной точки зрения электропроводность зависит не от числа валентных электронов, а от числа электронов, для которых в верхней зоне проводимости имеется достаточное число свободных энергетических состояний.
У двухвалентных металлов имеется некоторое число свободных энергетических уровней в зоне проводимости. Но число электронов, которые могут быть переведены внешним электрическим полем в свободные состояния меньше, чем у одновалентных металлов. Еще меньше таких электронов у трехвалентных металлов.
У диэлектриков (III) валентная зона заполнена полностью, ширина запрещенной зоны велика (DE > 3 эВ) тепловое движение не может перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости. Только при приложении очень сильных электрических полей возможен переход электрона в зону проводимости (пробой диэлектрика при пробивных напряжениях, зависящих от рода материала и его толщины).
У полупроводников (IV) валентная зона заполнена полностью. Ширина запрещенной зоны невелика (DE ~ 1 эВ). При температурах ~ 200 – 300 °С или внешних воздействиях (например, облучение светом - внутренний фотоэффект) электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и по полупроводниках протекает ток.
Отличия с точки зрения зонной теории:
Между металлами и диэлектриками
а) при 0 К у металлов в зоне проводимости имеются электроны, у диэлектриков их нет.
б) у металлов нет или очень узкая запрещенная зона, у диэлектриков - большая запрещенная зона.
Между диэлектриками и полупроводниками:
а) ширина запрещенной зоны полупроводника ~1 эВ; диэлектрик > 3 эВ.
б) при 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, при возрастании температуры проводимость полупроводника растет.
Понятие энергетический уровень или энергетическая зона характеризует только энергетическое состояние электрона, а не геометрическое расположение его в теле.