Скажем, у вас есть проводник, заполненный свободными электронами. Ядра имеют слабое притяжение к валентным электронам, поэтому они перемещаются в проводнике.
Но электроны не покидают твердое тело. Если вы поднесете положительно заряженный объект к проводнику, электроны могут переместиться на другую сторону объекта, но не покинут его, как если бы их блокировала «стена».
Почему поверхности действуют как барьеры/стены для свободных электронов?
Я получил следующие разъяснения:
1) Они притягиваются к ядрам, поэтому их оттягивают назад.
Моя проблема с этим: у проводников есть слабая сила притяжения к электронам, так почему же требуется чрезвычайно большая сила, чтобы противодействовать притяжению ядер? А также что делает границу такой особенной?
Если электрон может свободно перемещаться внутри твердого тела, то почему ему так труднее двигаться вне твердого тела, если сила, действующая на ядра, одинакова?
2) Представьте, что электроны удерживаются ядрами на струне. Если вы потянете за него, вы, возможно, сможете отодвинуть электрон, но вам потребуется более сильное усилие, чтобы разорвать «струну» ядер.
Моя проблема с этим: эта аналогия не работает. Эластичные струны подчиняются закону Гука:
Однако электромагнитные силы подчиняются закону Колумба:
По мере увеличения расстояния сила отталкивания уменьшается .
Также обратите внимание: я знаю, что вы можете заставить электроны покинуть проводник, но для этого требуется высокое напряжение.
Если бы вы остановили меня на улице и спросили, я бы подумал, что это, вероятно, потому, что внутри проводника силы притяжения от ядер довольно однородны, поэтому движение в одном направлении так же легко, как и в любом другом. На поверхности же силы действуют только с одной стороны электрона, а именно со стороны ядер на поверхности проводника. Молекулы воздуха недостаточно сильно притягивают электроны, чтобы оттолкнуть их, потому что они либо нейтральны, либо являются относительно слабыми диполями. В результате электроны эффективно связываются с поверхностью проводника, если не приложено достаточно высокое напряжение, чтобы преодолеть сильное притяжение ядер проводника.
Или так я бы предположил.
Не будем забывать, что когда мы говорим об электронах, мы говорим об элементарных частицах.
Элементарные частицы всегда движутся в рамках квантовой механики . В КМ электрон видит потенциал, т.е. притяжение зарядов ядра(ядер), и либо связан им на энергетическом уровне, либо свободен. Он может быть связан с одним ядром, с молекулой, имеющей общие ядра, с кристаллом, имеющим порядка 10^23 ядер. В некотором смысле именно последнее и происходит в металлах.
Состояния КМ определяются общим потенциалом ядер в решетке металла, что является проблемой многих тел, тем не менее, электроны связаны определенным уровнем энергии, определяемым этим потенциалом; в металлах из-за большого числа ядер в решетке и структуры ядер * внешние электроны имеют доступную полосу энергии , где различия энергетических уровней многих уровней очень малы.
Поскольку два электрона не могут занимать одно и то же состояние, это означает, что при любом изменении направления им должна быть сообщена некоторая энергия в виде виртуальных или реальных фотонов для необходимого изменения заполнения энергетического уровня. Поскольку эта разность энергетических уровней внутри полосы невелика в вертикальном направлении к поверхности, только внутри полосы , они обладают подвижностью, которую мы измеряем в металле, и накапливаются везде, где их притягивает общая разность потенциалов: т.е. перескакивают энергетические уровни, поглощая энергию как виртуальные фотоны от потенциала внутри зоны.
Чтобы выйти за пределы полосы и поверхности металла, электрон должен поглотить виртуальный или реальный фотон с гораздо большей энергией, чем энергия виртуальных фотонов, необходимая для «движения» внутри полосы. В некотором смысле полоса выполняет роль определенного энергетического состояния электрона в атоме водорода, например, вплоть до выхода за пределы поверхности. Диполи и более высокие моменты нейтральных молекул не могут обеспечить эту энергию фотонами вне массовой оболочки, не могут притянуть электроны из зоны настолько, чтобы вытолкнуть их и связать с молекулой.
Короче говоря, для выхода из зоны/поверхности необходимо поглотить гораздо больше энергии в виде виртуальных или реальных фотонов, чем для движения внутри полосы. В каком-то смысле именно зонная структура, существующая в металлах, является необычным состоянием материи, поскольку вся материя с трудом отдает в воздух свои электроны (виртуальные или реальные фотоны большой энергии). Ленточная структура обеспечивает подвижность в металле и является уникальной характеристикой, нуждающейся в объяснении, которое я, надеюсь, дал.
Хотя я действительно не очень хорошо разбираюсь в этих темах, я попытаюсь ответить на ваш вопрос довольно простым и не математическим языком.
Барьер — это не стена проводника. Вместо этого это воздух между заряженным телом и проводником. Электроны просто не могут свободно перемещаться в воздухе, если нет действительно сильно заряженного тела (так бывает во время молнии или искрения).
Теперь к почему часть вашего вопроса. Электроны перескакивают с атома на атом, а затем перемещаются. Атомы проводника допускают такое перемещение электронов, а воздух — нет, потому что в воздухе нет свободных электронов. Таким образом, электроны вблизи поверхности не могут двигаться дальше. И я думаю, что в книге VINAY есть хорошая диаграмма, чтобы прояснить мое объяснение.
Короче говоря, внутри проводника электроны могут перемещаться, но этого не может произойти вне проводника. Надеюсь, это развеет ваши сомнения.
ДФГ
ЭтаЗетаТета