Вселенная. Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Джефф Бломквист

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.

История эта обретает новый поворот, и именно он объяснит нам в следующей главе, как полупроводники проводят ток. Представьте себе электрон, который может свободно двигаться по незаполненной полосе идеального кристалла. Мы выбрали кристалл, чтобы установить, что химические связи (возможно, ковалентные) способствуют регулярной организации атомов.

Наша одномерная модель твердого тела соответствует кристаллу, если все ямы равноудалены друг от друга и имеют одинаковый размер. Подсоедините батарею – и электрон с радостью перепрыгнет с одного уровня на другой после того, как его слегка подтолкнет приложенное электрическое поле. В результате электрический ток будет постоянно расти, поскольку электроны будут впитывать все больше энергии и двигаться все быстрее и быстрее. Для каждого, кто хоть как-то знаком с электричеством, это утверждение должно звучать странно, потому что никакого закона Ома не наблюдается (напомним: ток I зависит от приложенного напряжения U согласно формуле U = I × R, где R – сопротивление цепи). Закон Ома возникает, потому что электроны, перескакивая вверх по энергетической лестнице, могут терять энергию и возвращаться в прежнее состояние; это может произойти, только если атомная решетка не идеальна – либо из-за примесей (то есть случайных атомов, отличающихся от большинства), либо из-за того, что атомы совершают значительные движения, а это гарантированно происходит при любой отличающейся от нуля температуре. В результате электроны большую часть времени играют в «змеи и лестницы» на микроуровне: они взбираются по энергетической лестнице, только чтобы снова упасть в результате взаимодействий с несовершенной атомной решеткой. В среднем получается типичная энергия электрона, что ведет к постоянству тока. Эта типичная энергия электрона определяет скорость течения электронов по проводу – того, что мы называем электрическим током. Сопротивление провода – мера того, насколько несовершенна атомная решетка, через которую идут электроны.

Но это не такой уж крутой поворот. Даже без закона Ома ток не нарастал бы равномерно. Когда электроны достигают верхней части полосы, они начинают вести себя очень странно, и в результате такого поведения ток начинает уменьшаться, а со временем разворачивается в другую сторону. И это очень странно: даже несмотря на то, что электрическое поле подталкивает электроны в одном направлении, они, достигнув верха энергетической полосы, текут вспять. Объяснение этого удивительного эффекта лежит за пределами нашей книги, а пока достаточно сказать, что ключевую роль здесь играют положительно заряженные ядра: они так толкают электроны, что те меняют направление.