по мотивам нейтриновских "разъяснений на пальцах"

меня интересует такой момент: почему одни элементы группируются в кристаллическую решётку и отлично проводят ток, а другие нет.
разница между ними - всего лишь в наборе электронов верхнего уровня.

как это выглядит на пальцах?

  Между металлами и диэлектриками нету пропасти. Проводимость определяется наличием свободных электронов. Свободные электроны получаются либо при тепловом уходе из валентной зоны либо когда атомы так сильно "упаковываются", что валентная зона пересекается с зоной проводимости (металы), тогда электрон свободно покидает атом.
  Разница в том насколько сильно влияют атомы друг на друга (чем сильнее тем шире зоны) и в положении электронных уровней (вокруг которых "вырастают" зоны). 
Возьмем, например, литий. У него есть один внешний электрон на s уровне, который слабо связан с ядром, потому что далекая орбита. И возьмем Хлор у коготорого и s и p уровни заполнены. При плотном заполнении уровня, электроны сосредотачиваются близко к ядру и для ухода требуется немалая энергия. Т.е. валентная зона даже если она широкая, расположена глубоко. 
  На самом деле, энергетическое состояние и положения уровней определяются из уравнений квантовой механики. На пальцах не объясняется почему при большом количестве валентных электронов они уходят на глубину, а при малом они торчат высоко. 

что за зона проводимости?



да нет, объяснить можно, только это надо уметь. я иногда такие вещи слышал на пальцах, что все преподы затыкались немедля в восхищении.

допустим, больший заряд положительных протонов при заполнении уровня притягивает к себе всё сильнее этот уровень

оно?

  Это набор возможных состояний электрона, когда он уже не принадлежит отдельному атому, а может свободно перемещаться. Т.е. такой электрон может переносить заряд.
  Представь себе пластиковый стакан с водой (это атом). Уровень воды это верхняя граница валентной зоны. Когда атомы объединяются в кристаллическую решетку, то меняется энергетическое состояние. Грубо говоря стакан взяли в руку и легонько обжали. Уровень воды в стакане поднялся, но воды было мало и она не вылилась. Метал это стакан в котором много воды. Когда его обжимаешь вода вытекает. Вытекание воды это переход из валентной зоны в зону проводимости. Нижняя граница зоны проводимости это край стакана. 
  

  Так и есть, но это не объясняет почему есть предел заполнения, после которого следующий электрон забрасывается высоко вверх.

Добавлено через 3 минуты и 1 секунду

  Полупроводник с донорной примесью это стакан у которого сделали дырку на уровне воды и при любой возможности вода выливается.

тогда вопрос такой: что значит, что атомы металлов организуются в кристаллическую решётку?
они благодаря свободно отошедшим электронам получают между собой дополнительную связь?
но что тогда заставляет их встать стройными рядами?
или никаких рядов нет? и диэлектрик - имеет точно такое же расположение атомов? просто у него электроны крепче привязаны к ядрам?

  Ну как сказать обычно получается поликристалл. Много мелких монокристаллов. В каждом монокристалле они идут стройными рядами. Но стройные ряды не имеют прямого отношения к проводимости. Т.е. как, безусловно монокристалл лучше проводит ток, но не из-за концентрации электронов, а из-за меньшего числа неоднородностей на пути следования электронов.
  Связь образуется потому что рядом стоящие атомы энергетически более выгодная схема. Это вероятностный процесс. Атомы сблизились, и стало возможным занять более выгодное положение. Если произошла потеря энергии, то атомы уже не разойдутся.
  Простая модель. Стальные шары на резиновой пластине. Шар продавливает пластину и образует ямку. В эту ямку скатывается соседний шар.
  Форма кристаллической решетки зависит от конфигурации ядра и электронов, а также от условий роста (графит алмаз).

  Диэлектрик кстати это особый вид изоляторов. Неясно почему про него речь? У него полярные молекулы, которые взаимодействуют с электрическим полем. Решетка у него также кристаллическая. 

под диэлектриками я называю неметаллы. как-то у нас так повелось

так, что получается - все элементы выстраиваются в кристаллические решётки? и металлы и не металлы?

  Чистые элементы думаю все. Не чистые могут образовывать аморфные состояния, в которых порядка мало. Неизвестно что происходит с чистым гелием. Его молекулы в идеальной конфигурации и соседство не дает почти ничего. Возможно чистый гелий не создает правильной решетки.

Добавлено через 6 минут и 55 секунд
Надыбал в википедии, что гелий формирует гексагональную кристаллическую решетку. Так что для чистых элементов получается всегда кристаллическая решетка.

значит, отличие металлов и неметаллов - сила притяжения верхней орбиты электронов.
для металлов она высоко и электроны имеют возможность легко слететь. свободные электроны дают возможность к хорошей электропроводимости.
у не металлов заряд ядра высокий и пригибает орбиту ближе к себе. в результате чего отдельно взятому электрону труднее слететь с орбиты. с другой стороны случайно пролетавшему мимо электрону, легче притянуться к такому ядру, а покинуть опять же тяжелее.
таким образом не металлы обладают худшей электропроводимостью за счёт меньшего количества свободных электронов. а те что есть при движении ловятся атомами.

в принципе вменяемое объяснение?

для проверки можно изречь такую вещь, что при увеличении ядра, суммарное влияние его на верхнуюю орбиту падает. так как орбита всё дальше и дальше, а уход одного электрона вызывает потерю меньшего заряда. следовательно вырвавшийся электрон почувствует гораздо меньшую силу обратного притяжения к ядру если это массивный атом, по отношению к лёгкому.
отсюда вывод - в каждом следующем ряду, то есть чем массивнее атомы, тем больше среди них должно быть металлов и меньше не металлов.
что мы собственно и наблюдаем в реальной таблице Менделеева

вроде сходится?

  Атомы не захватывают электроны. Свободные электроны думаю могут перемещаться и в изоляторе. Возьмем например полупроводник с донорной примесью. Доноров там 0.001% по массе, так что по сути имеем диэлектрик с электронами. Эти электроны ничуть не стремятся ни с кем связаться. Дело все в квантовых эффектах. Хотя валентная зона и ниже зоны проводимости и похожа на классическую ямку, но электрон в нее провалиться не может. Яма есть, а места в ней нет. В заполненную валентную зону  электроны не попадают. А вот если электрон покинет валентную зону, то на пустующее место может скакануть и свободный электрон и электрон из валентной зоны рядом стоящего атома. В последнем случае говорят о перемещении дырки. 
  
 т.е. не электронов, а заряженных частиц. Заряд могут переносить и позитроны и дырки и мюоны. В квантовой физике стирается граница между частицей энергетическим состоянием. Если позитроны и мюоны долго не живут, то дырка является также свободной частицей, причем более тяжелой чем электрон   . Это похоже на бред, но существование дырки неотличимо от существования частицы. За счет того, барьер валентная зона - валентная зона выше чем барьер дефектов кристаллической решетки, электроны в валентной зоне ведут себя более инертно и этот параметр определяет их массу в квантовом представлении.
   

  У тяжелых ядер появляются новые особые орбиты для электронов. Если у маленьких атомов это только уровни s и p (окружность и восьмерка ), то дальше начинается просто жэсть. Тяжелые ядра имеют d f g орбитали
  Вот пример одного из вариантов f орбитали (орбиталь это квантовый аналог траектории)

  

  А вот что твориться с g орбиталью

 

  Грубо говоря, по этим поверхностям перемещается g электрон. Это орбиталь одного электрона. Так что там говорить о расстояниях до ядра малость некорректно.

Добавлено через 4 минуты и 34 секунды
  Надо в тему позвать kemiisto. Его на работе замучили этими энергетическими уровнями и орбиталями. Наверняка сможет что-то интересное рассказать.

я про это и говорил, легче притянуться пролетающему мимо ионизированного атома. ясно же, что нет-нет, а электроны будут из них выскакивать.

во-вторых, это ведь только у галогенов верхняя орбита заполнена, потому они и такие инертные. а у остальных элементов наверху всегда есть вакантные места. и если бы электроны на них не могли заскакивать, невзирая на нулевой суммарный заряд атома, то у нас к примеру не было бы реакции окисления

про позитроны и мюоны мы не говорим. у нас вполне конкретная задача, в которой есть только два атома - металл и не металл


не важно. физикам так легче рассуждать - пожалуйста, но перемещение дырки - суть перемещение электронов по свободным позициям между атомами


не вижу, как это противоречит моему "простому" определению

  При образовании химического соединения все электроны остаются у своих атомов. Они не теряют связь со своим атомом. Действительно орбиталь меняет форму.
  Вот смотри. Пусть имеем p орбиталь атома азота. см. рисункок



  Атомарный азот вступает в химическую связь с водородом. Это приводит к тому что орбитали валентных p электронов вытягиваются в сторону водорода. Но все электроны остаются у своих атомов 



  Т.о. химическая связь не является результатом захвата чужого электрона, а лишь искажения правильной орбитали.

  В некоторых случаях действительно имеет место отрыв электрона. Например, растворение поваренной соли в воде. В этом случае удерживать лишний электрон хлору позволяет сильно полярная молекула воды, которая работает как диполь. Диполь это в целом нейтральная пара, но заряд разнесен в разные концы пары, поэтому если диполь поворачивается отрицательным концом, то он создает вблизи него отрицательный потенциал (возле натрия). Хлор тянет электрон на себя, вода тянет на себя натрий, другая молекула воды положительным концом компенсирует избыточный заряд хлора. В результате имеем две пары H20+Cl- (компенсация -) H2O + Na+ (компенсация +).
  А теперь возьмем да испарим воду. Казалось бы раз хлор оторвал, то электрон уже его. Фиг вам, как только покровитель испариться, то натрий вернет "незаконно" упертое имущество взад. 



  Классическая картина это метал у которого заполнены все внутренние s p уровни, и имеется верхний сферический уровень s высоко расположенный по отношению ко внутренним уровням. Так все выглядит у металлов из основной группы таблицы Менделеева. Однако заглянем в побочную группу. Возьмем марганец. Его 2 ближайших соседа Бром и Хлор 100% классические не металлы. У марганца как и хлора и брома валентные s и p уровни заполнены и находятся глубоко. Однако он металл из-за уровня d. Но в d уровни ведут себя хитро. 
  На d уровне помещается 10 электронов, однако этот уровень не заполняется подряд как уровень s или p. Может заполниться только половина уровня d, а затем начинает заполняется вышестоящий уровень s. Т.о. валентный уровень может быть и 4s и 3d (последнее не про марганец сказано).
  Из этого всего вывод такой. Металлов гораздо больше. Даже не очень тяжелые элементы с атомными массами 45-59 сплошь металлы. Сравнить с неметаллом Астатом с атомной массой 85.

рекомендую почитать книжку по полупроводникам, и моделированию свойств проводимости.
там поясняется что за зоны (энергитические уровни).
Электрическая проводимость зависит от свойств вещества.
Иногда это чистое вещество, иногда - соединение из вещества с загрязнениями (специально внесенными или случайными).
любое вещество имеет проводимость отличную от другого.
Величина данного коэффициента варьирует, существует 3 диапазона этого свойства - 
проводник, полупроводник, и изолятор (диэлектрик).
это также как называется электромагнитное излучение в зависимости от диапазона частоты:
видимый свет, радио, рёнтген, и т.д. - одно и то же явление разной "энергичности".

Очень намаловажный фактор воздействия на проводимость - температура, термическое состояние.
Одно и то же вещество может в разных диапазонах температуры "вести себя" как изолятор, полупроводник и проводник.


у меня есть книга (бумажная): 
Robert F. Pierret "Semiconductor Device Fundamentals". Addison-Wesley Publishing, ISBN: 0-201-54393-1
тебя интересуют:

• Chapter 1: Semiconductors: A General Introduction
• Chapter 2: Carrier Modeling
• Chapter 3: Carrier Action

если нужен материал ориентируйся по этому автору, найди перевод и т.д.


Это сообщение отредактировал(а) bilbobagginz - 8.5.2010, 16:11

Уточняю: внутри этих объемов   
(Там есть несколько непересекающихся тел для одного электрона. Электрон бывает внутри этих тел, но никогда - между ними. Не пытайтесь понять как он это делает - только мозг сломаете. )

в смысле? что тут ломать?
взять шарик, наполнить водой и запустить рыбу. после чего сжать его по всякому, так чтобы получились и гантели и прочая. вот рыба и будет плавать по возможным областям