Электронный газ это в химии кратко

Обновлено: 08.07.2024

На нашей планете благородные газы преимущественно содержатся в воздухе, но они есть в небольших количествах в воде, горных породах, природных газах и нефти.

Много гелия в космическом пространстве, это второй по распространенности элемент после водорода. В Солнце его почти 10%. Судя по имеющимся данным, благородных газов много в атмосферах крупных планет Солнечной системы.

Все газы, кроме гелия и радона, добывают из сжиженного воздуха фракционным разделением. Гелий получают как сопутствующий продукт при добыче природного газа.

Свойства

Газы без цвета, запаха и вкуса. Они всегда есть в атмосферном воздухе, но их невозможно увидеть или почувствовать. Плохо растворяются в воде. Не горят и не поддерживают горение. Плохо проводят тепло. Хорошо проводят ток и при этом светятся. Практически не реагируют с металлами, кислородом, кислотами, щелочами, органическими веществами. Химическая активность растет по мере увеличения атомной массы.

Инертные газы не ядовиты, но способны вытеснять кислород из воздуха, понижая его концентрацию до смертельно низкого уровня.

Смеси тяжелых благородных газов с кислородом оказывают на человека наркотическое воздействие, поэтому при работе с ними следует использовать средства защиты и строго следить за составом воздуха в помещении.

Хранят газы в баллонах, вдали от источников пламени и горючих материалов, в хорошо проветриваемых помещениях. При транспортировке баллоны следует хорошо укрепить, чтобы они не бились друг о друга.

Применение

В газовой и газово-дуговой сварке в металлургии, строительстве, автостроении, машиностроении, коммунальной сфере и пр. Для получения сверхчистых металлов.
Нерадиоактивные благородные газы применяются в цветных газоразрядных трубках, часто используемых в уличных вывесках и рекламе, а также в лампах дневного света и лампах для загара.

Гелий

Жидкий гелий — самая холодная жидкость на планете (кипит при +4,2 °К), востребована для исследований при сверхнизких температурах, для создания эффекта сверхпроводимости в электромагнитах, например, ядерных ускорителей, аппаратов МРТ (магнитно-резонансной томографии).
Гелий-газ применяют в смесях для дыхания в аквалангах. Он не вызывает наркотического отравления на больших глубинах и кессонной болезни при подъеме на поверхность.
Так как он значительно легче воздуха, им заполняют дирижабли, воздушные шары, зонды. К тому же он не горит и гораздо безопаснее ранее использовавшегося водорода.
Гелий отличается высокой проницаемостью — на этом свойстве основаны приборы поиска течи в системах, работающих при низком или высоком давлении.
Смесь гелия с кислородом применяется в медицине для лечения болезней органов дыхания.

- теоретич. модель, описывающая поведение электронов проводимости в электронных проводниках. В модели Э. г. пренебрегают кулоновским взаимодействием между электронами. Оправданием пренебрежения кулоновским взаимодействием (на качеств. уровне) служит, во-первых, существование ионов кри-сталлич. решётки, эл.-статич. заряд к-рых в среднем компенсирует заряд электронов, а, во-вторых, экранирование зарядов, существенно уменьшающее радиус действия кулоновских сил.

Электроны движутся в периодич. поле кристаллич. решётки. Поэтому состояние отд. электрона определяется его квазиимпульсом p и номером энергетич. зоны s (см. Зонная теория). Закон дисперсии (зависимость энергии электрона в зоне s от квазиимпульса р)- сложная периодич. ф-ция. Э. г.- газ частиц со сложным законом дисперсии.

Как и свободные электроны, частицы Э. г. подчиняются Ферми - Дирака статистике. Э. г.- газ фермионов. Малое число электронов в полупроводниках (по сравнению с металлами) иногда позволяет для описания свойств Э. Больцмана статистику.

Частицы Э. г. рассеиваются на фононах, друг на друге (межэлектронное рассеяние) и на любых нарушениях периодичности кристаллич. решётки (см. Рассеяние носителей заряда). Поэтому они имеют конечную длину свободного пробега l, конечное время жизни т = l/u, где u - тепловая скорость электрона.Чем лучше выполняются неравенства

тем Э. г. ближе к идеальному газу.

Модель Э. г. позволяет вычислить многие термодина-мич. и кинетич. характеристики электронных проводников. В нек-рых случаях (в полупроводниках) Э. г. может иметь темп-ру, отличную от темп-ры решётки (см. Горячие электроны). Под воздействием высокочастотных эл.-магн. полей Э. плазма (см. Плазма твёрдых тел); об Э. г. под действием сильного давления см. в ст. Экстремальное состояние вещества.

Исторически первым и простейшим вариантом модели Э. идеальный газ (см. Друде теория металлов). Теорию Друде - Лоренца сменила Зоммерфельда теория металлов, в к-рой учтено вырождение Э. г. Теория Э. эффективная масса носителей заряда отлична от массы свободного электрона. Этим учитывается взаимодействие электронов с кристаллич. решёткой.

В электронной теории металлов наряду с моделью Э. г. используется модель электронной ферми-жидкости, когда необходимо и возможно учесть межэлектронное взаимодействие (см. Квантовая жидкость). Реально это удаётся осуществить вблизи основного состояния электронной системы. При kT Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Из предыдущего ясно, что для теории твердого тела представляют интерес лишь верхние энергетические полосы, поскольку электроны, находящиеся на более низких уровнях, практически не принимают участия во взаимодействии атомов. Каким образом можно описывать поведение электронов верхних полос? Так как речь идет об огромном числе электронов, то возникает естественное соображение о рассмотрении совокупности электронов методами статистической физики как своеобразного газа.

Состояние каждого электрона газа можно задать точкой в пространстве импульсов Направление движения электрона совпадает при таком изображении с радиусом-вектором Энергия зависит от импульса электрона. В кристалле энергия электрона будет разной для разных направлений движения. Отвлечемся пока от этого обстоятельства и допустим, что электроны ведут себя как свободные частицы. Несмотря на крайнюю грубость такого предположения (т. е. несмотря на пренебрежение потенциальной энергией поля, в котором движутся электроны, а также пренебрежение взаимодействием электронов), следствия из него хорошо характеризуют — по крайней мере качественно поведение электронов твердого тела, образующих полосу энергии.

Если электроны свободны, то связь между энергией и импульсом дается формулой Это значит, что в пространстве импульсов поверхность равной энергии является сферой. Принято называть эту сферу именем итальянского физика Ферми. Как мы видели

в предыдущем параграфе, из опыта можно найти -максимальную энергию электронов в полосе. Можно сказать поэтому, что состояния электронного газа заключены в сфере радиуса . Таким образом, для поверхности Ферми уместно и другое название: поверхность максимальной энергии.

Чтобы проверить качественную справедливость теории, можно оценить число электронов, входящих в полосу, по значению Рассуждаем следующим образом. Согласно принципу неопределенности проекция импульса частицы не может быть определена в куске металла линейного размера с большей точностью, чем Поэтому понятие точки пространства импульсов должно быть заменено понятием ячейки этого пространства объемом где V — объем рассматриваемого куска металла. Одно из основных положений теории состоит в предположении, что такая ячейка представляет квантовое состояние и что в ней может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. Если в объеме V в рассматриваемой полосе имеется электронов, то занято ячеек, т. е. объем Это есть объем сферы Ферми радиуса Значит,

Из уравнения можно найти вполне разумные числа Это показывает, что сделанные предположения в какой-то мере отражают истину.

Пример. Опыт дает порядок максимальной энергии в металле Отсюда находим т. е. максимальная скорость электронов в металле будет иметь порядок

Тогда число электронов в единице объема будет по порядку величины равно

Можно рассчитать распределение электронов по энергиям для данной температуры. Оно отличается от распределения Больцмана. По закону Больцмана при абсолютном нуле температуры энергия электронов должна равняться нулю. С точки зрения новой теории энергия электронов при абсолютном нуле весьма велика - к этому нас привел принцип Паули. Учитывая принцип Паули, можно построить новую статистику (статистика Ферми — Дирака), которая вместо функции приводит к выражению

где максимально возможная при абсолютном нуле энергия электронов. Этот множитель, помноженный на распределение электронов при абсолютном нуле, дает распределение электронов при любой температуре.

К благородным (инертным) газам относятся элементы VIIIa группы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. На их внешнем энергетическом уровне содержится 8 электронов.

Они бесцветны, не имеют запаха, вкуса и обладают низкой химической активностью - инертны. Используются в лампочках для того, чтобы препятствовать окислению вольфрамовой нити.

При прохождении электрического тока гелий светится ярко-желтым, неон - огненно-красным, аргон - сине-голубым, криптон - синевато-белым, ксенон - белым цветом.

Аргон составляет 1% воздуха. Гелий является самым распространенным элементом в космосе после водорода.

В чистом виде инертные газы получают методом сжижения воздуха.

Сами по себе инертные газы не ядовиты, однако их утечка способна приводить к потере сознания.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: