Обычная классическая самодиффузия

 

Я хочу рассказать о том непременном признаке жизни кристалла, который можно охарактеризовать так: «охота к перемене мест». Поэт считает, что применительно к людям это «весьма мучительное свойство». Кристалл мук не испытывает, но составляющие его атомы все же периодически меняют места временной оседлости, попросту говоря, блуждают по решетке. Не только колеблются вокруг положений равновесия, но и меняют эти положения.

Такое блуждание — самодиффузия — происходит и тогда, когда оно не приводит ни к каким видимым последствиям — свойства и структура кристалла остаются неизменными. Если, как в известной детской игре, дать атомам команду «замри!», а затем тщательно изучить строение кристалла, то ни по каким признакам нельзя будет определить, что в нем до подачи команды происходило самодиффузионное перемещение атомов. Такой процесс осуществляется в «равновесном» кристалле, свободном от любых неоднородностей, разумеется кроме вакансий. Происходит он лишь вследствие флуктуаций энергии: флуктуации — причина и образования вакансий, и перескока атома в соседнюю вакансию или в соседнюю межузельную ячейку. Такой перескок и является элементарным актом самодиффузии.

Хаотичность — точное определение закона (или, точнее, «беззакония»), которому подчиняется атом, блуждающий при «бесцельной» самодиффузии. Действительно, вакансия может подойти к атому с любой из возможных сторон и таким образом определить направление очередного шага атома. Произвольность направления очередного шага и подчеркивается словом «хаос». При этом путь любого атома, который мысленно отмечен укрепленным на нем флажком или реально отмечен его способностью излучать, не может быть ни предопределен, ни угадан. Казалось бы, на этом рассказ можно и окончить, поскольку хаос есть хаос. Вроде бы и говорить не о чем. Однако именно благодаря тому, что направление очередного прыжка данного атома в вакансию может быть произвольным и все возможные в кристалле направления скачка равновероятны, можно установить закономерности, которым подчиняется перемещение большого количества атомов. Полная неопределенность судьбы одного атома дает возможность определить судьбу ансамбля многих атомов. Или, быть может, лучше так: среднюю судьбу атома.

При обсуждении вакансионного механизма самодиффузии естественно возникает вопрос: что, собственно, движется — атом или вакансия?

Вот два способа рассказать о том, что может произойти в партере, когда погаснет свет в зале, если крайнее место первого ряда окажется свободным.

Способ первый. Зритель, сидящий во втором ряду, за свободным креслом, пересядет в первый ряд, оставив свое кресло пустым. Зритель, сидящий в третьем ряду, пересядет в освободившееся кресло второго ряда, освободив при этом свое кресло. Зритель, сидящий в кресле четвертого ряда, пересядет в освободившееся кресло третьего ряда, освободив при этом свое кресло. Далее надо рассказывать о том, как будут себя вести зрители пятого, шестого, седьмого и следующих рядов. В конце рассказа следует обратить внимание на то, что зритель из последнего ряда пересядет в освободившееся кресло в предпоследнем ряду, освободив при этом кресло в последнем ряду. Главный герой этого рассказа — зритель, точнее говоря — зрители. Мы все время следим за их поведением. И хотя зритель безлик, в последовательном повествовании должны быть упомянуты зрители всех рядов — от второго до последнего.

Способ второй. Пустое кресло переместилось из первого ряда в последний.

Вторым способом повествования описано то же событие, что и первым. При этом краткость описания достигнута благодаря тому, что неодушевленному креслу присвоена способность перемещаться. Конечно же, перемещались зрители, а не пустое кресло, но оказалось удобнее (и не более того!) описать сложное событие, прибегнув к образу движущегося кресла.

Обсудим подробнее диффузионное блуждание атомов с помощью так называемого «вакансионного механизма». Происходит оно следующим образом. Если в непосредственном соседстве окажутся атом и вакансия, то при необходимой флуктуации энергии атом сможет перескочить в соседнюю вакансию. В результате этого акта соседство не нарушится, произойдет лишь обмен местами между реальным атомом и «атомом пустоты». Соседство нарушится тогда, когда какой-нибудь другой атом из числа окружающих вакансию поменяется с ней позициями. В последовательности актов обмена позициями между атомами и вакансиями вакансия будет удаляться от атома, с которым вначале была в соседстве, а атом сможет сделать очередной шаг лишь после того, как рядом с ним окажется другая вакансия. Здесь, пожалуй, лучше сказать не «другая вакансия», а «опять вакансия», так как вакансии неразличимы.

Два способа рассказать о событии в партере, где одно кресло оказалось свободным, свидетельствуют о том, что описание сложных судеб множества атомов можно заменить описанием движения вакансий. Это во многих случаях оказывается удобным и полезным. Еще раз подчеркну, что речь, разумеется, идет лишь о способе выражаться и не более того.

Обсудим теперь задачу о смещении атома, участвующего в бесцельном хаотическом блуждании. Интуиция может подсказать, что хаотическое блуждание и топтание на месте — понятия идентичные и, следовательно, блуждающий атом «в среднем» должен оставаться на месте. Это обманная подсказка. Убедиться в этом можно на следующем простом примере.

Пусть в обычный трудовой день из таксомоторного парка одновременно выезжает большое количество такси. Каждое из них движется, выполняя просьбу очередного случайного пассажира, и, значит, направление очередного рейса совершенно произвольно и никак не зависит от направления предыдущего рейса. Такси должно себя вести подобно хаотически блуждающему атому. Так будет, если в этот день нет события, которое привлечет к себе внимание многих, например, нет футбольного матча. Для простоты предположим, что в каждый из рейсов такси проходят по прямой одинаковые расстояния. Надо определить то среднее расстояние от таксомоторного парка, на котором будут находиться такси через некоторое время. Заметьте, речь идет о всех такси, а не об одном из них. Судьба одного может быть совсем исключительной: скажем, заглохнет мотор и длительное время, в течение которого иные такси обслужат множество пассажиров, испортившийся автомобиль простоит на месте. Или иной случай: очередному пассажиру требуется подряд сделать много однотипных рейсов, например таких: дом — вокзал, дом — вокзал... Или так: очередной пассажир окажется опаздывающим на работу сотрудником таксомоторного парка и попросит отвезти его в парк... Но чрезвычайно маловероятно, чтобы такая исключительная судьба постигла все такси, равно как маловероятно, чтобы все они устремились далеко за город, —день ведь трудовой, а не праздничный. Именно потому, что исключительная судьба атома (или такси) очень маловероятна, задача о среднем расстоянии группы атомов (или такси) от исходной позиции приобретает смысл. Решение этой задачи не настолько просто, чтобы его следовало излагать в популярной книге, и поэтому мы поступим так: опустив ход решения, запишем результат, а затем экспериментально убедимся в его правильности. Результат предельно прост:

 

X 2 n   = па2.  

 

Он означает, что если величину смещения X   каждого из атомов после п   скачков на одинаковое расстояние а    возвести в квадрат, а затем вычислить среднюю величину этих квадратов X 2 n  , то окажется, что она пропорциональна числу скачков.

Слово «скачок» появилось потому, что от такси мы уже перешли к атомам. Так как время ожидания очередного скачка τ (или время «оседлой жизни») в среднем постоянно и за время t   атом совершит п = t  / τ скачков, приведенное уравнение можно переписать в другом виде:

 

Если теперь опять от атомов перейти к такси, то полученный результат означает, что среднее расстояние между многими такси и таксомоторным парком, из которого они вышли одновременно, со временем изменяется по закону ≈ t 1/2. Последнюю формулу удобно переписать в другом виде:

 

X 2 n=Dt  

 

Величина D = а 2 /τ   называется коэффициентом самодиффузии.

При строгом расчете, когда учитываются все шесть возможных перемещений атома (вперед и назад вдоль каждого из трех направлений в пространстве), оказывается, что D   = а 2 / 6 τ  .

А теперь модельный эксперимент «блуждающие точки». Заставьте хаотически блуждать 10 точек, потребовав, чтобы каждая из них двигалась вдоль прямой: когда брошенная монета падает «орлом» — шаг вправо (например, сантиметровый), «решеткой» — такой же шаг влево. После того как все точки сделают одинаковое число шагов, надо величину смещения (в сантиметрах) каждой из них возвести в квадрат, эти квадраты просуммировать и разделить на число точек, т. е. на 10. Так будет найдена величина X 2 n  . Затем такой подсчет надо повторить при нескольких других значениях числа шагов, вплоть до п    = 100. Построив график зависимости X 2 n   от п  , мы убедимся, что, как это и предсказывает формула, которую мы записали, поверив в ее справедливость, X 2 n   линейно увеличивается с ростом п  .  Такой эксперимент мы сделали, и его результаты изобразили на рисунках. Ушло на это два часа, трудились вдвоем, я бросал монету, товарищ вел записи, затем мы построили график зависимости X 2 n   от п.  

Хотелось бы в координатах X 2 n   и п   получить прямую, согласно формуле именно прямая и должна быть. На нашем графике точки, не ложась точно на прямую, рассыпаны вблизи нее. Это естественно, так как слишком мало точек и шагов, слишком мала статистика для того, чтобы вероятностные законы обрели точность. Однако и в нашем опыте (всего 10 точек, каждая по 100 шагов) закон X 2 n ~ п   себя проявил.

 

Итак, оказывается хаос — не хаос! В нем скрыты строгие закономерности, которые себя отчетливо проявляют в процессе хаотических блужданий атомов в кристалле — тем отчетливее, чем больше атомов и чем большее число неупорядоченных скачков совершает каждый из них.

Нам, вглядывающимся в непременные признаки жизни кристалла, конечно же, следует познакомиться с количественными характеристиками того процесса, который мы называем «обычная классическая самодиффузия» или «бесцельное блуждание атомов в кристалле». Будем говорить главным образом о вакансиях, твердо помня при этом, как взаимообусловлены перемещения вакансий и атомов.

Совокупность вакансий в кристалле может быть уподоблена идеальному газу. Аналогия между газом реальных молекул или атомов и газом «атомов пустоты» имеет вполне разумные основания. Подобно молекулам идеального газа, вакансии в кристаллической решетке находятся друг от друга на значительных расстояниях и поэтому практически между собой не взаимодействуют. Иногда они сталкиваются, после чего уходят в разные стороны.

Для того чтобы пользоваться этой аналогией, следует убедиться, что, подобно идеальному газу, газ вакансий разрежен. Это основное условие, которому должен удовлетворять идеальный газ. Оценим среднее расстояние между вакансиями lυ   . Если в единице объема находится пυ  вакансий, то

 

т. е. вакансии в среднем удалены друг от друга на двадцать межатомных расстояний. Приблизительно на таком же расстоянии друг от друга находятся молекулы в воздухе при атмосферном давлении. С понижением температуры концентрация вакансий сυ   быстро уменьшается, среднее расстояние между ними lυ    увеличивается, газ вакансий становится еще более разреженным, а это означает, что основное условие идеальности оказывается выполненным.

Итак, совокупность вакансий — разреженный газ. Однако частицы этого газа движутся не в свободном пространстве, а в кристаллической решетке, и это определяет характер их движения. Между двумя столкновениями они движутся не по прямой, а по очень запутанной ломаной линии, состоящей из прямолинейных отрезков — они определяются расстояниями между соседними позициями в кристаллической решетке, которые зависят от ее структуры.

Обсудим характеристики газа вакансий в каком-нибудь определенном кристалле, например в золоте, имеющем следующие характеристики: решетка кубическая, расстояние между двумя позициями, где могут находиться атомы, а   ≈ 3 • 10-8 см, температура плавления 1336 К. Период тепловых колебаний атома в узле решетки τ0 ≈ 10-13 с. Допустим, что температура кристалла Т =   1330 К, т. е. на 6 К ниже точки плавления, и проследим при этой температуре судьбу вакансии. Ее состояние характеризуется следующими цифрами:

 

Природе почему-то понадобилось, чтобы вакансия отличалась беспримерной суетливостью!

Можно бы вычислить еще некоторые характеристики вакансий. Например, установить, что, пройдя по прямой в среднем 3 мкм, вакансия столкнется с себе подобной, что такие столкновения вакансия испытывает приблизительно сто раз в секунду, что две столкнувшиеся вакансии совершат совместно приблизительно десять периодов колебаний и лишь после этого порознь будут продолжать свой путь.

Атомы ведут себя спокойнее вакансий. Но и они миллион раз в секунду меняют место оседлости и движутся со скоростью ≈ 1 м/ч.

С понижением температуры коэффициент диффузии будет уменьшаться, а время «оседлой жизни» увеличиваться. И то, и другое будет происходить быстро — но экспоненциальному закону, и степень удивительности приведенных цифр будет уменьшаться. И все равно они — эти цифры — достаточное основание, чтобы слова «кристалл» и «мертвое тело» не употреблялись как синонимы.

 

 

МИГАЮЩИЕ ВАКАНСИИ

 

Исповедующие традиционную убежденность в том, что популяризовать можно лишь прочно укрепившиеся в науке идеи и надежно установленные факты, сочтут этот очерк преждевременным, так как он посвящен идее, пребывающей в младенческом возрасте, еще не испытанной временем. Она не успела себя широко зарекомендовать, не оказала заметного влияния на развитие физики кристаллов. Получила косвенную апробацию лишь в нескольких экспериментах. И все же мне она представляется настолько жизнеспособной, что, не очень рискуя ошибиться, хочу предсказать ей успехи в будущем. А это мне, не придерживающемуся традиционного взгляда на область популяризации, кажется вполне достаточным основанием, чтобы о новорожденной идее рассказать в популярной книге.

Речь идет о «мигающей вакансии», образе, который родился в представлении физика, исследовавшего влияние электронного облучения на изменение некоторых физических свойств рыхлых кристаллов. «Рыхлых» — это значит таких, в решетке которых очень много незамещенных позиций. «Рыхлых» — это значит обладающих такой решеткой, при которой в структуре много пустоты в виде межузельных пространств.

Впрочем, пожалуй, о том, что было вначале, удобнее будет рассказать в конце очерка, а сейчас расскажу о том, что такое мигающая вакансия.

Обсуждая «пару Френкеля», мы обратили внимание на то, что пока атом, перешедший из узла в междоузлие, не ушел от этого узла на расстояние более атомного, он может с большей вероятностью возвратиться в покинутый им узел. «Родственная связь» между атомом и узлом окончательно не прервана, и дефект «по Френкелю» еще не возник. Мыслимы, однако, ситуации или, точнее говоря, мыслимы такие кристаллы, в которых родственная связь между узлом и атомом, покинувшим узел, сохраняется и тогда, когда атом ушел на значительное расстояние от узла. Сохранив родственную связь, он охотно в этот узел возвращается. Представим себе такую ситуацию. Допустим, что, покинув узел, атом превратился в ион с зарядом е+  , а узел при этом оказался имеющим заряд е-    . Допустим, что атом, покинув узел, ушел от него на расстояние r 0. Покинул — это значит выпрыгнул вследствие тепловой флуктуации или оказался вышибленным какой-либо частицей, которая влетела в кристалл, имея большую энергию. Неважно, как покинул, а важно, что покинул! Оказавшись на расстоянии r 0  , ион испытывает кулоновское притяжение к оставленной им позиции с силой, определяемой законом Кулона: F 1 = е 2 /εr 02 (ε — диэлектрическая проницаемость кристалла). Под влиянием этой силы ион мог бы возвратиться в покинутую им позицию, этому, однако, препятствует необходимость преодолеть энергетический барьер, который обусловлен наличием новых соседей данного иона в решетке. Если высота этого энергетического барьера (U 0, а расстояние между соседями в решетке a  , то силу, удерживающую ион в его новом положении, легко вычислить, учтя, что произведение силы на путь равно выполненной работе (или затраченной энергии): F 2 а   = U 0  , т. е. F 2 = U 0 /а.   Если окажется, что сила F 2 < F 1, то, невзирая на тормозящее влияние новых соседей, ион все-таки возвратится в покинутую им позицию. Сравнивая величины F 1 и F 2  , легко убедиться, что родственная связь между ионом и вакантной позицией не будет нарушена, если величина r 0 удовлетворяет условию

 

 

Сферическая область, радиус которой r * и в центре которой расположена вакантная позиция, является «зоной неустойчивости»; не выйдя за пределы этой зоны, ион возвратится в свою вакансию, как если бы он был связан с ней растянувшейся, но не лопнувшей резинкой.  Выход иона за пределы «зоны неустойчивости» означает потерю им родственной связи с той позицией, в которой он прежде находился. В нашей модели эта ситуация означает, что резинка лопается. Радиус этой зоны неустойчивости может оказаться совсем не маленьким, если кристалл достаточно рыхлый, т. е. если высота энергетического барьера U 0 достаточно мала. Например, если U 0 ≈ 10-1 эВ = 1,6• 10-13 эрг, то при е   = 4,8•10-10 г1/2•см3/2/с и а =   3• 10-8 см величина r * = 2,5• 10-7 см, т. е. почти в 10 раз превосходит межатомное расстояние. Как видите, r * не мало, родственная связь может оказаться реальной и на большом расстоянии.

 

Возвратимся к модели растянутой резинки, связывающей ион в зоне неустойчивости с вакансией. Для того чтобы резинка сработала, совсем не надо ожидать энергетической флуктуации для преодоления барьера U 0  . Кулоновская сила (а в нашей модели растянутая резинка) возвратит атом в покинутый им узел, как говорят физики, «безактивационно»: атом перейдет из узла в междоузлие и сразу же возвратится в ранее им покинутый узел. При этом вакансия успеет лишь «мигнуть».

Для того чтобы оправдать образное название «мигающая вакансия», оценим время τυ, необходимое для возврата иона в вакансию. Очевидно,

τυ ≤ r */ υ  

 

где υ   — скорость движения возвращающегося атома. Так как его энергия, приобретенная под действием силы F 1

 

Легко убедиться, что при разумных значениях величин, определяющих время τυ его значение ≈ 10-12 с, т. е., появившись, вакансия проживет 10-12 сек. без покинувшего ее иона, а затем ион возвратится восвояси, а вакансия при этом перестанет существовать. Она «мигнула» и исчезла. Она — мигнувшая вакансия. Они — мигающие вакансии. Так по праву первооткрывателя их назвал профессор В. М. Кошкин. По-моему, отлично назвал, предложил термин-модель, свободный от двусмысленности, подсказывающий очевидную, всем доступную и понятную аналогию. Мне приходил в голову и иной термин — «мерцающие вакансии». Он более поэтичен (ночное небо, звезды!), но значительно менее точен. А физический термин обретает ясность и привлекательность, если с привычными жизненными наблюдениями его удается связать легко, без натяжки.

В. М. Кошкин как-то рассказывал мне о том, что мысль о мигающих вакансиях появилась во время наблюдения за спокойной поверхностью реки, на которую падают капли дождя. Капля дождя оставляет след на водяной глади, который, мигнув, исчезает. Если поток дождя установившийся и однородный, следы от удара капель о воду распределяются по поверхности реки равномерно, подчиняясь законам случая. Оба признака мигающей вакансии проявляются: следы от капель возникают случайно и, мигнув, исчезают. Здесь, пожалуй, следует заметить, что созерцание дождя над рекой — любимое занятие очень-очень многих, а образ мигающей вакансии оно могло подсказать лишь тому, кто задолго до памятного ему дождя думал о точечных дефектах в кристаллах, о механизме их появления и исчезновения. Можно было бы здесь рассказать о том, какова концентрация «мигающих вакансий», и убедиться в том, что во многих рыхлых структурах их должно быть даже больше, чем обычных, стабильных, «немигающих». Оставим эти рассуждения за текстом. А здесь поговорим о физических эффектах и явлениях, в которых «мигающие вакансии» себя проявляют. Здесь, почти в конце очерка, как раз и уместно рассказать о том, что было у истоков рождения идеи.

Экспериментально было установлено, что кристаллы In2Те3 (они рыхлые!) обладают огромной радиационной стойкостью. Это значит, что, сколько бы их ни облучали потоком электронов или нейтронов, их свойства не меняются, дефекты в них не накапливаются. И их структура, и их омическое сопротивление, и многие другие свойства не сохраняют воспоминаний о том, что кристалл подвергался облучению, как не помнит поверхность реки о некогда упавшей на нее дождевой капле. Для физика — результат очень странный, повод для раздумий, для технолога-материаловеда — результат изумительный, так как он означает, что имеется радиационно-устойчивый материал, из которого можно изготавливать изделия, не боящиеся облучения.

Исключительность такого материала легко объясняется представлениями о «мигающих вакансиях». Нейтроны (допустим, мы облучали именно ими) выбивают атомы из узлов, покинув узлы, атомы остаются в соответствующих «зонах неустойчивости» и, следовательно, почти мгновенно возвращаются в покинутые узлы, а «мигнувшие вакансии» столь же мгновенно исчезают. Именно в этом, видимо, секрет радиационной стойкости кристаллов типа In2Те3.

Еще один пример. Экспериментально установлено, что многие различные чужеродные (примесные) ионы в кристаллах In2Те3 диффундируют так, что энергия активации процесса не зависит от сорта диффундирующего атома. Явление можно объяснить вот как. Примесный ион, оказавшись вблизи «мигнувшей вакансии», может вскочить в нее, опередив тот, которому ранее вакансия принадлежала. Те 10-12 с, которые необходимы атому для возврата из междоузлия в собственную вакансию, для мира атомов не такое уж малое время, и «расторопный» атом примеси, находясь поближе к вакансии, может успеть занять ее раньше. Эта агрессия, как и возврат собственно иона, происходит безактивационно, и, следовательно, энергия активации процесса диффузии любого примесного иона будет определяться лишь энергией, необходимой для «рождения» мигающей вакансии. А эта величина — характеристика кристалла и от сорта примеси не зависит.

Кстати, независимость энергии активации процесса диффузии примесного атома в кристалле In2Те3, когда диффузия обслуживается «мигающими вакансиями», ранее была предсказана теоретически и уж затем подтверждена экспериментально. Это обстоятельство придаёт убедительность и жизненную силу образу «мигающей вакансии». Диффузия — это первое явление, где «мигающие вакансии», придуманные для объяснения высокой радиационной стойкости «рыхлых» кристаллов, себя независимо проявили. Пусть это будет добрым началом!

И повышенная радиационная стойкость, и особенности процесса диффузии свидетельствуют в пользу представления о «мигающих вакансиях», конечно же, лишь косвенно. Хорошо бы с помощью каких-либо методов «увидеть», или «услышать», или как-нибудь по-иному зарегистрировать «мигающую вакансию». Будем надеяться, что это сделает кто-нибудь из будущих ученых, кто-нибудь из нынешних наших студентов. Ведь и обычные вакансии почти два десятка лет существовали в качестве гипотетического образа, и лишь с помощью ионного проектора в 40-х годах сфотографировали и увидели их скопления. Сегодня же есть право рассказывать о «мигающих вакансиях» как об очень интересной выдумке теоретика, которая, хочется верить, сохранится в теории реального кристалла.

Кстати, «мигающая вакансия» — это ли не признак жизни кристалла!

 

 

ЭЛЕКТРОНЫ — КВАНТОВЫЙ ГАЗ

 

В истории изучения кристаллов в начале нашего века был период, когда среди прочих проблема «электроны в металле» была весьма загадочной, интригующей, казалось — тупиковой. Посудите сами. Экспериментаторы, изучающие электрические свойства металлов, доказывают, что в металле имеются свободно движущиеся электроны. Вот два очень существенных факта, которые они установили. Первый факт: если быстро движущийся проводник, подключенный к амперметру, мгновенно остановить, по проводнику потечет ток и амперметр это обнаружит. Ясно, в чем дело: и остановленном проводнике электроны продолжают поступательно двигаться подобно тому, как движутся пассажиры, стоя едущие в трамвайном вагоне, который мгновенно затормозили. Движущиеся электроны и обусловят обнаруживаемый ток. Основываясь на описанной модели механизма возбуждения тока в заторможенном проводнике, можно вычислить величину тока. Вычислили! Результат расчета совпал с экспериментом! Убедились в том, что для носителей заряда характерно отношение величины заряда е   к массе т   такое же, как для свободного электрона. Кажется, убедительно! Второй факт: к проводнику подключают источник напряжения, и по проводнику течет ток. Всем это известно, и всем ясно, в чем дело: в металле имеются свободные электроны, которые под влиянием напряжения движутся. Имея в виду именно эту причину тока, его величину можно вычислить. Вычислили! Результаты расчета и эксперимента совпали отлично! Тоже убедительно!

Другие экспериментаторы, изучающие теплоемкость металлов, с другими фактами, утверждают, что в металлах вообще никаких свободных электронов нет. Они измерили теплоемкость металлического образца и в согласии с законом Дюлонга и Пти получили цифру, близкую к 6 кал/(моль•К). Но ведь это теплоемкость только решетки. А где же вклад свободных электронов? Ведь если бы они существовали и в совокупности образовывали «газ свободных электронов», то каждый из них имел бы кинетическую энергию 3/2 kT   . Если же пренебречь потенциальной энергией их взаимодействия (а это можно, электроны свободны!) и если счесть, что на каждый ион в решетке приходится один электрон в газе свободных электронов, то тепловая энергия электронов в моле вещества будет 3/2 NkT   , а следовательно, их теплоемкость должна была бы равняться 3/2 Nk   = 3 кал/ (моль • К). Как доподлинно известно, 6 + 3 = 9, а экспериментатор обнаруживает лишь 6!

Ситуация по меньшей мере удивительная: амперметр чувствует электроны, а калориметр — нет! И тот, и другой прибор имеют большие заслуги перед естествознанием и безусловно достойны и уважения, и доверия! Доверять надо и тому, который говорит «да», и тому, который говорит «нет». Явно дело не в приборах, в умелых руках приборы говорят правду! Дело, видимо, в том, что, вслед за корифеями физики начала века, произнеся слова «свободные электроны», мы усмотрели лишь половину правды об электронах в металле. Нас, интересующихся непременными признаками жизни кристалла, не может не интересовать, почему старые добрые представления о тепловом движении частиц, когда их энергия пропорциональна температуре, применительно к электронам оказываются явно недостаточными. Электроны «живут» по каким-то иным законам, обнаруживая при этом не обычные признаки жизни, во всяком случае не свойственные ионам.

Первая половина правды об электронах состоит в том, что они свободны, что под влиянием приложенной к ним силы они могут направленно перемещаться и быть при этом носителями тока.

Поищем теперь вторую половину правды об электронах. В ее поисках нам могут помочь законы квантовой механики. Среди ее фундаментальных законов есть закон (или принцип), впервые сформулированный великим швейцарским физиком Вольфгангом Паули. Согласно Паули, в состоянии с одной и той же энергией могут находиться не более двух электронов. Вывести закон Паули сегодня нельзя ниоткуда, можно, однако, убедиться в том, что, если бы природа перестала ему подчиняться, для природы это окончилось бы плачевно, гибельно. Все электроны в атоме стремились бы запять положения с минимальной энергией и дружно сгруппироваться у самого ядра атома, и нынешний атом — основа мироздания — перестал бы существовать. Остальное читатель пусть домыслит сам! Как уже упоминалось, природа мудра и великие законы соблюдает, видимо, догадываясь о последствиях нарушения этих законов.

 

Вернемся, однако, к электронам в металле. При Т   = 0 К, когда электроны не возбуждены тепловым движением, на энергетической «квантовой» лесенке они должны занять самые низкие ступеньки — по два на каждой. Уровень самой высокой ступеньки — он называется уровнем Ферми, и ему соответствует энергия Ферми WF   — зависит от плотности электронного тока, т. е. от числа электронов в единице объема. Если мы начнем нагревать этот газ, электроны, которые расположены на глубинных ступеньках, не смогут воспринимать тепловую энергию, так как для этого надо перейти на следующие по высоте ступеньки, а они заняты! Поэтому «нагреваться» смогут лишь те электроны, которые расположены вблизи самой высокой ступеньки; они, восприняв тепловую энергию, смогут переселиться на более высокие свободные ступеньки. Итак, выясняется парадоксальная ситуация: нагревается металл со всеми принадлежащими ему электронами, а тепловую энергию воспринимают лишь немногие из них, и именно они и определяют теплоемкость электронного газа.

Последняя фраза, пожалуй, самая главная во всем очерке. Она дает право утверждать, что теплоемкость электронного газа является не нулевой, но заведомо меньшей чем 3 кал/ (моль•К), так как все те электроны, которые на энергетической лесенке расположены ниже уровня Ферми, не принимают участия в том тепловом движении, которое обусловливает теплоемкость электронов. Точный расчет свидетельствует о том, что электронный вклад в теплоемкость металла, возрастающую по закону С э ~ T   при высокой температуре мал, порядка 1 %. Эта величина близка к погрешности измерений теплоемкости. Именно поэтому экспериментатор и получает величину, близкую к 6 кал/(моль•К).

Здесь, продолжив логику изложения, иной читатель обратит внимание на то, что по мере освобождения ступенек вблизи уровня Ферми на них могут переходить электроны с нижних ступенек и в конце концов все электроны начнут принимать участие в тепловом движении. Все станет на свои «классические» места, и шестерка превратится в девятку. «Иной» читатель прав. Точнее, качественно прав, так, вообще говоря, может быть, но... реально не будет! Дело в том, что из совсем несложных расчетов следует, что электронный газ потеряет воспоминание о своей квантовой природе и превратится в классический газ около так называемой «температуры вырождения», которая для металлов оказывается весьма высокой, порядка 10б К. При такой высокой температуре любой металл испарится, а с ним исчезнет и предмет наших забот — электронный газ. Таким образом, вплоть до температуры плавления электронный газ в металле оказывается, как говорят физики, «сильно вырожденным», заведомо квантовым. И поэтому теплоемкость электронного газа остается пренебрежимо малой по сравнению с теплоемкостью решетки. Разумеется, в области высоких температур, где справедлив закон Дюлонга и Пти.

 

Подумаем над тем, что должно быть в области низких температур, там, где закон Дюлонга и Пти оказывается несостоятельным. Решеточная теплоемкость С р ~ Т3,  а электронная С э ~ Т  .

 

Это означает, что должна существовать такая температура Т*  , ниже которой электронная теплоемкость будет больше решеточной. Эта температура оказывается очень низкой, для металлов около 10 К. Экспериментально она отчетливо обнаруживается, свидетельствуя о разумности наших представлений о теплоемкости электронов — квантового газа.

Переведем здесь дыхание, вспомним рассказанное и попытаемся представить себе общую картину движения частиц-ионов и частиц-электронов, составляющих металл. Вначале об области высоких температур. Решетка, состоящая из ионов, ведет себя «классически»: атомы колеблются около положений равновесия, модель «атом-шарик» на пружинке отражает этот процесс. А электроны ведут себя «квантово» и воспринимают лишь малую долю той тепловой энергии, которую они могли бы получить от горячей решетки. Существуют два ансамбля частиц: «классические» ионы и «квантовые» электроны. Частицы каждого из ансамблей движутся, подчиняясь своим законам, проявляя свои признаки жизни.

А теперь об области низких температур. Судьба электронного газа остается той же, так как и «низкая» и «высокая» температуры очень удалены от «температуры вырождения» электронного газа. А вот ионная подсистема при переходе в область низких температур отражает уже известные нам черты квантовости.

В конце очерка, почти вне связи с предыдущим изложением, я хочу обратить внимание на одну важную особенность электронного газа. Так как каждый атом, входя в состав решетки металла, отдает в среднем около одного электрона в газ, то плотность этого газа оказывается огромной, равной 1/ω ≈ 1023 см-3 (ω — объем, приходящийся на атом). Это в 104 раз больше, чем число частиц в обычном газе при нормальном давлении. Таким образом, плотность электронного газа такая, какой была бы плотность (число частиц в единице объема) обычного газа под давлением 10 000 атмосфер. При этом оказывается, что такая высокая плотность не мешает электронному газу сохранять свойства идеального!

Электронный газ обладает еще одной особенностью, которая резко отличает его от обычного «классического» идеального газа, с представлениями о котором мы сроднились еще со школьных времен, когда впервые познакомились с законом Бойля — Мариотта. Тогда мы прочно усвоили, что кинетическая энергия частиц идеального газа настолько превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, что, вычисляя полную энергию газа, потенциальной энергией можно пренебречь. Делать это можно с тем большим основанием, чем более разрежен газ. Таким образом, степень «идеальности» классического газа увеличивается с уменьшением его плотности. А у квантового (в частности, электронного) газа ситуация диаметрально противоположная: чем плотнее газ, тем он идеальнее. Странно? Действительно странно, но так! Дело в том, что, как оказывается, кинетическая энергия ε k   электронов в ансамбле зависит от числа электронов в единице объема пе  по закону ε k