Глава IV. Силы связи в кристаллах

Теория энергетических зон, изложенная в предыдущих параграфах, составляет основу современной трактовки физических свойств твёрдых материалов, и в этой области ведутся многочисленные исследования как теоретические, так и экспериментальные.

Ещё до этого периода исследования был установлен ряд общих черт зонной структуры и выяснена их связь с некоторыми характерными качественными различиями между кристаллами. Среди твёрдых тел можно выделить определённые большие классы веществ, и существоание этих классов легко объяснить исходя из характеристик их зонной структуры. Одной из отличительных особенностей кристаллов определённого класса является природа сил, действующих между атомами (или ионами) в твёрдом теле.

Не существует, разумеется, какого – либо универсального способа классификации различных твёрдых тел, поскольку принципг группировки зависит как от рассматриваемой конкретной проблемы, так и от точки зрения того, кто производит классификацию. В настоящем конспекте мы будем исходить из характера сил, связывающих между собой атомы или ионы в твёрдом теле. Для возникновения устойчивой структуры твёрдого тела необходимо, чтобы между частицами действовали двоякого рода силы: силы притяжения, препятствующие удалению частиц друг от друга, и силы отталкивания, не позволяющие частицам слиться друг с другом.

§1. Силы Ван - дер – Ваальса

Все атомы, ионы и молекулы испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу, котоое обусловлено стлами Ван – дер – Ваальса, однако в большинстве кристаллов эти силы очень малы по сравнению с другими силами. Такие связи встречаются у тех элементов и соединений, в которых электронная конфигурация лишь в малой степени допускает переходы электронов между атомами. Вандерваальсово притяжение является единственной силой между атомами с заполненными электронными оболочками (как это имеет место в случае инертных газов), когда нет перекрытия волновых функций электронов. Эти силы обусловлены взаимной поляризацией атомов при сближении иих друг с другом.

Поляризация создающая эти связи, обусловлена координировнным движением электронов в электронных оболочках соседних атомов. Электроны каждого из атомов смещаются относительно ядра в присутствии другого атома, т.е. атом превращается в диполь. Эта поляризация по своему характеру такова, что спообствует уменьшению энергии, и поэтому диполи притягивают друг друга и это притяжение способствует спонтанной кристаллизации. На рис эта ситуация представлена для гелия

Поскольку силы Ван–дер–Ваальса слабы, то обусловленная ими энергия связи невелика и составляет несколько тысяч калорий на моль. Типичные значения этой энергии приведены в таблице.

В этой таблице не совсем правомерно приведена энергия связи жидкого гелия; она столь мала, что гелий не может образовать кристалл даже в случае самых низких достижимых сейчас температур. Этот факт даёт основание предсказать, что гелий остаётся жидким даже при абсолютном нуле температур.

Физические свойства кристаллов с чисто вандерваальсовыми связями очень просты; по электрическим свойствам они изоляторы с широкой запрещённой зоной. Они прозрачны для электромагнитого излучения вплоть до области дальнего ультрафиолета.