Вы здесь

Тяжелые электроны в металлах

Тяжелые электроны в металлах

Способность металлов проводить электрический ток связана с наличием в них свободных электронов (электронов проводимости), которые могут перемещаться по кристаллу. Кроме электропроводности, эти электроны определяют многие другие важные V свойства металла, такие, например, как теплопроводность, поведение в магнитном поле и т. п.

Входящие в состав металла электроны, конечно же, не являются в полном смысле свободными. Обладая электрическим зарядом, они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и друг с другом. Это взаимодействие сильно влияет на характеристики металлов, где электроны в большой степени теряют свои индивидуальные свойства. Оказывается, тем не менее, что в ряде случаев движение электронов проводимости может быть описано как движение по-настоящему свободных электронов. Для этого электрону в металле приписывают так называемую эффективную массу, которая является важной характеристикой, учитывающей взаимодействия электронов с решеткой и друг с другом.

Физики уже давно описывают свойства металлов, используя понятие эффективной массы, и хорошо к нему привыкли. Отметим, например, что именно эффективная масса определяет ускорение электрона проводимости в электрическом поле.

Соединения с большой эффективной массой электронов

Обычно — например, и щелочных металлах, олове, меди — эффективная масса электронов близка по величине к массе свободного электрона (\(m_{e} = 9,1*10^{-31}\) кг), отличаясь от нее самое большее в несколько раз. Однако недавно было обнаружено, что в некоторых соединениях — CeAl3, CeCu2Si2, UBe13 и UPt3 — эффективная масса электронов почти в тысячу раз больше mе. Этот факт и позволяет говорить о «тяжелых» электронах.

Естественно, свойства упомянутых соединений очень сильно отличаются от свойств обычных металлов. Например, удельная теплоемкость CeCu2Si2 и UBe13, в несколько сот раз больше величины, ожидаемой для обычного металла. Аналогичная особенность наблюдается и для такой важной характеристики металла, как магнитная восприимчивость, которая отражает способность вещества, помещенного в магнитное поле, намагничиваться. Любопытно, что наблюдается связь между величиной эффективной массы электрона и способностью металла выступать в роли катализатора — чем больше эффективная масса, тем активнее проявляет себя металл. Можно надеяться, что это окажется полезным на практике. Однако на этом сюрпризы со стороны металлов с «тяжелыми» электронами не кончаются. Оказалось, что при низких температурах некоторые из них переходят в сверхпроводящее состояние, природе которого, как полагают, может отличаться от обычной сверхпроводимости.

Необычные свойства металлов, связанные с тяжелыми электронами, вызвали очень большой интерес у физиков, и в этом направлении сейчас ведутся интенсивные исследования. Пока природа большой аффективной массы электронов в металлах до конца не выяснена, но многие исследователи считают, что она связана с квантовым характером магнитного взаимодействия электронов и тяжелых атомов Ce, U и Pt. Пока в физике металлов с «тяжелыми» электронами вопросов намного больше, чем ответов. Исследования продолжаются.

© А. Б. ООО НПП ОО "Бюро Квантум".