下北沢八郎の場合

いろいろな結合力

　固体というのは、原子・分子相互の位置が（ほぼ）変わらないものということは、特に問題なく頭の中に入ってくる。固体や液体の状態のことを“凝集状態”というそうだが、字をじっと見つめればなんとなく雰囲気は伝わってくるが、難しくてあまり心に響いてこない。“結合状態”じゃだめなのかな。
　凝集状態になるためには、原子や分子間に一種の引き合う力が働く。この力を結合力とか凝集力と呼ぶ。これが前にいったちょっとかわったバネで文献等には説明されている。結合力は大体５種類に分類されていて、それをこれから見ることにする。

（１）イオン結晶
　イオン結晶は正イオンと負イオンから構成されており、その静電引力によって結合されている。なんとなくわかる。文献にはNaClがよく出てくる。イオンは、同じ符号のものの間には斥力が働き、異なる符号のものの間には引力が働く。そのため結晶内のイオンは、異符号のものはなるべく近づき合い、同符号のものはなるべく離れて配置をとろうとする。その結果、正負のイオンが交互に並んだ結晶構造になる。この場合は一番エネルギーが小さく済むんだろう。計算するのは大変そう。
　イオン間に働く力は静電力だけではない。イオン同士が接近して、双方の電子の波動関数が重なり始めると、斥力が働くようになる。これはパウリの排他原理から出てくるのか。距離が小さくなるにつれて急激に強まるとあるが、静電力の反発よりも強いのか？　これがイオン間の距離は一定のところで保たれる理由になっていることは、定性的にはわかる。

　パウリの排他原理をどれだけの人が理解しているのか時々考える。ほとんどの人は、これはそういうものとブラックボックス扱いしているんじゃないだろうか。それでも仕事ができればいいのかもしれないけれども。教科書には自明の論理みたいにポンと出てくるけれども。パウリの排他原理は、量子力学の後半に大体書かれているみたいだから、そこまで到達する前に、たくさんの人は登頂断念をしているのではないだろうか。たしか、ひとつの状態に二つの電子が存在できる確率がゼロというのが、正しい言い方だったような。ミクロの世界では、確率的な表現が多くなるのね。

　イオン結晶の結合エネルギーは、共有結合と並んで大きい。また、イオン結晶中の電子は閉殻構造を作るので、電場をかけても移動できず、電流も流れない。と書いてあったが、これって充満帯を形成するからでいいのよね。そのためにイオン結晶は絶縁体となる。ただ高温にするとイオンが動くことにより電流が流れる。イオンが固体の中を動くというのが少しピンとこないような気もするが。

（２）共有結合結晶
　これの代表的な例は、ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウム、あとよく知らないが化合物SiCもだそうで。４個の価電子が電子対結合をして延々と繰り返したものとある。最初電子対結合がよくわからなかった。これは粒子性だけでは説明できない。今でもかなりあやしいけど。
　共有結合も一般に結合力が強い。本には絶縁体と書いてあるが、それって絶対零度のときの話ですよね。GaAsも上げられているが、これはなんでNaClのような構造じゃなくて、ダイヤモンド構造をとるのかな。イオン結合と共有結合の両方の性格を持っているとあるがこれもちょっとなんとなくだ。

　半導体はこれに入るが、会社で新人の頃にこんなことを教えてもらったかな。忘れただけだったりして。なんで共有結合が大切だとか、なんでエネルギーがバンド構造を取るかというのは習っていない。こういうものは自分から勉強しないと理解はできないが、理解できなくてもなんとか仕事はできるような気はする。でも、いつか時間が来たら通用しなくなったり、自分自身が納得できなくなるタイミングが来ると思うが。その時は結構大変ね。

（３）金属結晶
　高校の時は、金属は自由電子がたくさんあるので電気をよく流すと習ったと思う。もうちょっと詳しく言うと、価電子は原子核の陽イオンから離れて結晶の中を自由に動き回っているということか。
　また金属では、伝導電子の海のなかに正イオンが浮いているとも例えられている。なんで海なんだよと最初思った。共有結合のときは、価電子は広がりを持たずに、方位性をもっている。それをボンドといって、図に書くとき原子と原子を線でつないで表したりする。でも金属の場合は、価電子は、特定の電子と対になるということはなく広がっているから、原子間を線で結んだ絵を描くことはできない。でも、昔なにも知らないときは、線で結んでいた。もうちょっと疑問にもつということをしなければいけなかった。電子の海というのはきいたことがあったけれども。
　電子の海を作るということは、不確定性原理によって運動エネルギーを減らすことことができるというメリットがあることか。まだかなりあやしい。
　価電子の数が、奇数の時はエネルギーバンドの中は半分だけ満たされるから、小さなエネルギーでも受け取ることができる。偶数でも導電性をもつことは、バンド理論を深く理解しないと行けない。がんばらないと。

（４）分子性結晶
　代表例として、ネオンやアルゴンなど閉殻構造をもつ希ガス元素の結晶とか、H2,O2,CH4のような飽和化合物の分子からなる結晶などがある。そうですか、なるほど。共有結合みたいに新しい結合を作るための電子をもたないで、電気的に中性である。ＯＫ。このときはファンデルワールス力という力に起因する。
　半導体にあまり関係しないと思うとテンションがかなり下がってしまう。必要だったら追加しよう。適当野郎だ。

（５）水素結合結晶
　代表的なものは、H20結晶（水）である。これもダイヤモンド結晶だったとは意外。これもあとまわし。

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