Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

Порядок заполнения квантовых уровней в отдельных элект­ ронных подгруппах по мере увеличения количества электронов в атоме определяется правилом Хунда, согласно которому при образовании суммарного спинового момента 5 или орбиталь­ ного момента L векторы составляющих их моментов устанав­ ливаются относительно друг друга так, чтобы значения 5 или L были возможно большими. Для спинов это означает преимущественность параллельной ориентации. На рис. 1.12 приведена схема заполнения электронных 3d- и 45-состояний у элементов четвертого периода с возрастанием их атомного номера.

Элементы, которые имеют недостроенные внутренние элект­ ронные оболочки, называют переходными. В четвертом периоде такими элементами являются элементы с № 21 (скандий) по

№28 (никель).

Итак, из анализа застройки электронных оболочек можно

сделать вывод, что каждой электронной оболочке в таблице Д. И. Менделеева соответствует свой период. С началом засе­ ления новой электронной оболочки связано начало образования нового периода с более высокой энергией внешних электронов. Аналогично тому, как повышение значения п означает рост энергии электрона, так и переход от одной оболочки к другой связан с повышением их энергетического состояния. Оболочка К (т. е. Is) в любом атоме является оболочкой с наиболее низ­ кой энергией.

МЕЖАТОМНЫЕ СИЛЫ СВЯЗИ

В природе все тела существуют в одном из трех агрегатных состояний: жидком, твердом или газообразном. У веществ, на­ ходящихся в газообразном состоянии, расстояние между атома­ ми очень велико (например, в обычном воздухе оно составляет около десяти атомных диаметров). В жидкостях и твердых те­ лах каждый атом находится в непосредственной близости с со­ седними.

Изучение тел в жидком состоянии показывает, что хотя атомы и молекулы располагаются в них относительно друг дру­ га так близко, что оно сходственно с твердыми телами, однако это расположение носит случайный характер. К жидкостям относятся аморфные тела (стекло, вар, воск и т. д.), так как их атомы, подобно атомам жидких тел, тоже расположены беспо­ рядочно. Аморфные тела являются переохлажденными вязкими жидкостями и от обычных жидкостей отличаются только сте­ пенью податливости. Вязкость аморфных тел при нагревании падает постепенно, определенной температуры плавления эти тела не имеют.

Твердыми телами в физике называют только кристалли­ ческие тела. У них атомы находятся в строго определенном порядке. Твердые тела имеют постоянную температуру плавле­ ния, при которой происходит разрушение их кристаллического строения и резкое изменение свойств. Состояние, в котором находится группа атомов, определяется природой и величиной межатомных сил, а также внешними условиями: температурой и давлением.

Химическое сродство атомов предусматривает наличие меж­ ду ними сил притяжения, а взаимное отталкивание ядер — сил отталкивания. Величина этих сил зависит от расстояния между атомами. Поэтому взаимное расположение атомов в том или другом агрегатном состоянии определяется равнодействующей

соответствующих потенциалам сил притяжения и отталкивания (рис. 2.1). Как видно из рисунка, при значительных расстоя­ ниях между атомами силы притяжения (Unр) малы, а силы отталкивания (£/от) вообще равны нулю. При сближении ато­ мов начинают возрастать силы притяжения, а потенциальная энергия приобретает отрицательное значение (кривая U(r)).

При дальнейшем сближении ато­ мов начинают проявляться силы отталкивания, которые опреде­ ляют положительную составляю­ щую потенциальной энергии. По­ ложение минимума на кривой энергии соответствует равенству сил притяжения и отталкивания

Исследование зависимости энергии от межатомного расстоя­ ния показывает, что состояние (газообразное, жидкое или твер­ дое), в котором находится группа атомов, определяется вели­ чиной Uо и природой межатомных сил: чем больше глубина потенциальной ямы (t/0), тем прочнее атомы связаны между собой.

На положение атомов относительно друг друга в любом аг­ регатном состоянии большое влияние оказывают внешние усло­ вия: давление и температура. Повышение внешнего давления приводит к уменьшению объема вещества, а следовательно, к уменьшению межатомного расстояния. Так, например, в газах под действием внешнего давления наблюдается значительное уменьшение свободного пространства между атомами и моле­ кулами. В конденсированных состояних (жидкость и твердое тело) внешнее давление противопоставляется силам отталкива­ ния между атомами. Производимая в этом случае внешними силами работа направлена против сил отталкивания, вследствие чего даже значительное внешнее давление приводит к неболь­ шому сближению атомов. Вещества, отличающиеся сильным межатомным взаимодействием, характеризуются малой сжи­