Принципиальное различие в структурах металлов и «неметаллов».

Наличие свободных электронов в металлах не вызывает сомнений. Об этом свидетельствуют, например, явления термоэмиссии, а также холодной эмиссии, т.е вытягивания электронов из металла достаточно сильным электрическим полем. Но наиболее эффектным свидетельством считаются опыты Толмена и Стюарта (см. [6]). Катушку с намотанной медной проволокой приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. Свободные электроны в проволоке, двигаясь «по инерции», давали слабый импульс тока, который регистрировался баллистическим гальванометром. Наша обработка результатов Толмена и Стюарта дала, что в обычных условиях даже в меди один свободный электрон приходится на полтора-два миллиона атомов [6].

Таким образом, оказалась несостоятельна концепция Друде о газе свободных электронов в металлах – по принципу «каждый атом даёт один свободный электрон». И, действительно, такой расклад вызывал недоумение. Во-первых, как уже упоминалось выше, до сих пор не предложен механизм, который давал бы тотальную ионизованность атомов в металлах. Во-вторых, средние расстояния между центрами атомов в металлических кристаллах почти равны удвоенным атомным радиусам [6], что свидетельствует о формировании кристаллической решётки при непременном участии самых внешних электронов, входящих в состав атомов – и, значит, структура этой решётки обусловлена не «газом свободных электронов», а химическими связями [6].

Казалось бы, химические связи не могут обеспечить металлическую структуру – ведь у атомов металлов мало валентных электронов. Так, имея всего один валентный электрон, атом металла может образовать одну химическую связь с соседним атомом, тогда как для формирования жёсткой трёхмерной решётки требуется, как минимум, три связи на атом. Все эти связи, согласно нашей модели [6], образуются не одновременно, а попеременно: каждый атом связывается с соседями поочерёдно. Эта модель динамической структуры кристаллической решётки у металлов сразу позволила объяснить ряд удивительных феноменов [6].

Теперь заметим, что, в отличие от металлов, есть множество элементов, атомы которых имеют 4-6 валентных электронов. Эти элементы мы будем называть «неметаллами» (в эту группу мы не включаем, например, галоиды). Атомы «неметаллов» способны образовать кристаллическую решётку на стационарных химических связях. В этом, на наш взгляд, и заключается принципиальное различие между структурами металлов и «неметаллов»: кристаллическая решётка металла является структурой динамической, а кристаллическая решётка «неметалла» является структурой статической. Вот почему металлы ковки и пластичны, а «неметаллы» - хрупки. И если в металлах, где химические связи переключаемы, свободных электронов исчезающе мало, то в «неметаллах», где химические связи стационарны, свободных электронов, практически, совсем нет. Действительно, нам неизвестно о том, что кому-либо удалось извлечь из «неметаллического» кристалла (незаряженного!) свободные электроны методом термической или холодной эмиссии.

Заметим, что отсутствие свободных электронов должно иметь место не только в кристаллах, образованных атомами «неметаллов» - где все валентные электроны заняты в стационарных химических связях. Известны и другие материалы, например, оксиды металлов или щёлочно-галоидные кристаллы, которые являются хорошими диэлектриками – а ведь в их состав входят атомы металлов, у которых направленные валентности циклически переключаются [6]. Мы полагаем, что, несмотря на эти переключения направленных валентностей, результирующие переключения химических связей сильно упорядочены – настолько, что в идеальном случае бездефектного кристалла ни одна валентность не остаётся ненасыщенной так долго (по атомным меркам), чтобы оказаться ловушкой для свободного электрона. Поэтому здесь, как и в случае соединений «неметаллов», все валентные электроны задействованы в формировании кристаллической структуры, не имея возможности давать вклад в электронную проводимость.

Но для объяснения диэлектрических свойств недостаточно сказать, что электронная проводимость не может обеспечиваться собственными электронами диэлектрика. Ещё требуется объяснить, почему при подаче на диэлектрик напряжения, меньшего чем пробивное, сквозь него не могут двигаться посторонние свободные электроны, не входящие в его структуру.