Мы уже знаем, что атомы в твёрдом теле расположены в определённом пространственном порядке (см. рис. 1). Правильнее сказать, что в пространстве расположены в порядке не атомы, а атомные ядра. Что же касается элек­тронов, то они в разных телах ведут себя по-разному.

В некоторых телах все электроны прочно удержи­ваются вблизи ядер. Такие тела называются изолято­рами или диэлектриками. В других телах — в металлах — часть электронов свободно или почти сво­бодно странствует по всему объему, занимаемому телом.

Чтобы понять причину столь различного поведения электронов в металлах и в изоляторах, надо учесть, что расстояния между атомными ядрами в твёрдых телах таковы же, как размеры самих атомов. Поэтому каждый электрон находится здесь не только в поле ядра его собст­венного атома, но и в поле соседних ядер. Если располо­жение атомов таково, что поля соседних ядер сравнительно малы, электрон удерживается в определённом атоме. Если же поля соседних ядер велики, то силы, действующие на электрон, уравновешиваются и электрон больше не удер­живается ядрами, а странствует по всему телу. Такие электроны называются свободными.

В атомах, где много электронов, одни электроны всё время движутся близко от ядра, другие находятся от ядра значительно дальше. Очевидно, что электроны, близкие к ядру в изолированном атоме, будут продолжать удерживаться им и в том случае, когда этот атом нахо­дится в твёрдом теле. Ядра соседних атомов гораздо дальше от них, поля этих ядер значительно слабее, чем поле ядра собственного атома. Эти внутренние элек­троны не покидают атомов. Отрываются и путешествуют по металлу лишь самые внешние, самые далёкие от ядер, слабо удерживаемые ими электроны.

Эти же внешние электроны переходят от одного атома к другому и при сближении двух разных атомов, напри­мер при встрече атома водорода с атомом хлора. В этом случае поле ядра атома хлора отрывает электрон от атома водорода. Теперь и водород и хлор уже не нейтральные атомы, а ионы. Положительный ион водорода и отрица­тельный ион хлора притягиваются и образуют молекулу. Из таких молекул состоит соляная кислота.

Кроме металлов и изоляторов в природе существует много тел, занимающих промежуточное положение по своим электрическим свойствам. Эти тела называются полупроводниками.

По своему строению полупроводники стоят гораздо ближе к изоляторам, чем к металлам. Все электроны в них связаны с атомами, удерживаются полями ядер. Однако некоторые электроны связаны слабо. Вследствие теплового движения частиц тела такие электроны от­рываются от атомов и становятся свободными. Правда, они остаются свободными недолго. Очень скоро они при­тягиваются теми же или другими ядрами и удерживаются ими. Однако в это же время отрываются другие элек­троны, и т. д. В полупроводнике всегда имеется некоторое количество свободных электронов, оторвавшихся от ато­мов вследствие теплового движения.

Свободные электроны в полупроводниках делают их похожими на металлы. Однако между металлами и полу­проводниками имеется глубокое различие.

Как бы сильно ни был охлаждён металл, в нём всегда останутся свободные электроны. Силы притяжения сосед­них ядер в куске металла не дают возможности внешним электронам удерживаться в определённых атомах. Со­всем по-иному обстоит дело в полупроводниках. Не элек­
трические поля ядер, а тепловые колебания атомов — причина появления в полупроводниках свободных элек­тронов. Но чем ниже температура тела, тем меньше энер­гия теплового движения его частиц. При низких темпе­ратурах эта энергия становится недостаточной для того, чтобы отрывать даже слабо связанные электроны. По­этому при охлаждении полупроводники утрачивают свои металлические свойства и превращаются в изоляторы.

В меди, серебре, железе, алюминии часть электронов свободна. Эти тела — металлы. В стекле, парафине, фар­форе, эбоните все электроны связаны. В этих телах нет свободных электронов. Это—изоляторы.

В закиси меди, сернистом свинце, в элементах — гер­мании и селене — некоторые электроны связаны так слабо, что отрываются от своих мест вследствие тепло­вого движения. Эти тела — полупроводники.