5.9.2. Понятие о квантовой теории твердых тел

Свойства твердых тел получили свое объяснение только на основе квантовой механики.

Недостаточность классической физики для объяснения строения (и свойств) твердых тел становится ясной, если вдуматься, например, в суть излагаемой в курсе химии модели (версии модели!) типичных твердых кристаллических веществ — металлов. Всегда рисуют в узлах решетки положительные ионы («остов»), а между ними хаотически движущийся газ отрицательных частиц (электроны). С точки зрения электростатики такая модель существовать не может. Что удерживает электроны и не дает им сесть на ионы? Что удерживает сами ионы в узлах? Почему электроны (заряженные частицы), двигаясь с ускорениями, не излучают электромагнитные волны в соответствии с законами электродинамики? Число таких вопросов, не имеющих ответов в рамках механики и электродинамики, можно легко увеличить.

Оказывается, что в квантовой теории можно построить теорию твердых тел без противоречий с наблюдаемыми свойствами.

Как и в атоме водородавмодели Бораэлектроны в твердом теле находятся встационарных состояниях— в состояниях, в которых они не излучают. Из-за того что электронов в веществе, а значит и таких состояний, очень много, то энергии их могут принимать все значения (в некоторых пределах). Электроны в таких стационарных состояниях и естьэлектронный газ. Электростатическая энергия отталкивания ионов компенсируется энергией химической связи — энергией, выделяющейся из-за перекрытия плотностей вероятности обнаружения электронов. Именно энергия перекрытия, специфически квантовый эффект, приводит к появлению сил притяжения впотенциале Леннард–Джонса(слагаемое (–В/r¹²)). Она же лежит в основековалентной и металлической химических связей.

Квантовая механика позволяет создать полную, непротиворечивую теорию, на основе которой можно объяснить и предсказать все механические, электрические, магнитные, оптические и химические свойства твердого тела.