Что мешает посторонним свободным электронам двигаться сквозь диэлектрик

Если, по логике вышеизложенного, в образце отсутствуют свободные валентности, которые могли бы вести себя как ловушки посторонних свободных электронов, то, казалось бы, атомы такого образца лишь незначительно препятствовали бы движению этих электронов, сквозь образец. Ведь размер электрона гораздо меньше размера атома, и атомы, как нас учили ещё в школе, «в основном состоят из пустоты». Казалось бы, такие «пустые» атомы должны быть проницаемы для посторонних электронов. Но нет: если присоединить к диэлектрику электроды, подключенные к источнику постоянного тока, то при напряжении, меньшем пробивного, диэлектрик оказывается непроницаем для электронов, которых поставлял бы катод.

Может быть, электронам требуется стартовая скорость, чтобы проходить сквозь диэлектрик? Говорит же зонная теория: для заброса в зону проводимости, электрону следует сообщить энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны, т. е. 3 эВ или немного больше. Хорошо, можно видоизменить опыт: положительный электрод оставить присоединённым к диэлектрику, а отрицательный электрод, заменить, на электронную пушку, стреляющую электронами в диэлектрик. Пусть ускоряющее напряжение электронной пушки будет равно 30 В — что даст энергию электронов на порядок большую, чем ширина запрещённой зоны. Увы, всё равно не будет движения электронов сквозь диэлектрик к положительному электроду.

Что же мешает посторонним свободным электронам двигаться сквозь диэлектрик, подчиняясь внешнему полю — даже тем, которые имеют стартовую скорость в «правильном» направлении? Наш ответ на этот вопрос содержится в статье [16], где мы привели теоретические предпосылки и экспериментальные свидетельства о том, что в атоме имеются сферы непроницаемости для свободных электронов. Эти сферы концентрические, с центром в ядре, и с радиусами, равными расстояниям от ядра соответствующих атомарных электронов. Чтобы попасть внутрь всё более глубокой сферы непроницаемости, свободный электрон должен иметь всё большую кинетическую энергию — выше порогового значения, примерно равного энергии связи соответствующего атомарного электрона — иначе свободный электрон лишь рассеивается на сфере непроницаемости. При плотной упаковке атомов в твёрдом теле, сферы непроницаемости полностью перекрывают поперечное сечение, сквозь которое могли бы прямо двигаться свободные электроны. Таким образом, структура твёрдого тела сама по себе является, практически, непреодолимым препятствием для свободных электронов с низкой энергией.

Этот тезис может показаться странным: если речь идёт о сферах непроницаемости, то их имеют атомы не только твёрдых диэлектриков, но и металлов тоже, а различия в электропроводности у тех и у других — огромны. Конечно, это так, и, с учётом вышеназванной разницы в структурах металлов и диэлектриков, вывод напрашивается сам собой. А именно: пока все валентные электроны в образце заняты в формировании структуры, так что отсутствуют долгоживущие ненасыщенные валентности, образец является диэлектриком. Если же долгоживущие ненасыщенные валентности в образце появляются — например, в результате разрушения стационарных химических связей или нарушения упорядоченности переключаемых химических связей — то образец становится проводником. Чтобы твёрдый диэлектрик стал проводником, требуется принудительно создавать в нём долгоживущие ненасыщенные валентности — например, принудительно разрывать в нём химические связи.

Так, канал проводимости в твёрдом диэлектрике образуется в створе пролёта сквозь него быстрой ионизирующей частицы, которая, очевидно, разрывает химические связи в этом створе. Можно возразить, что главное здесь — не разрыв химических связей, а освобождение зарядов: не зря же та самая частица называется ионизирующей!

Но мы постараемся показать, что ключевую роль для образования канала проводимости в твёрдом диэлектрике играет именно разрыв химических связей, поскольку один лишь разрыв химических связей — без ионизации — открывает дорогу для посторонних электронов, и возникает электрический пробой.