Физическая энциклопедия - металлы

(от греч. metallon, первоначально шахта, руда, копи), простые в-ва, обладающие в обычных условиях характерными св-вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо отражать эл.-магн. волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в тв. состоянии имеют крист. строение. В парообразном состоянии М. одноатомны. Перечисленные св-ва М. обусловлены их электронным строением. В твёрдых и жидких М. не все эл-ны связаны со своими атомами: значит. часть эл-нов может перемещаться; энергия этих эл-нов (электронов проводимости) соответствует зоне проводимости М.

(см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). М. можно представить в виде остова из положит. ионов, погружённого в «электронный газ». Последний компенсирует силы взаимного электростатич. отталкивания положит. ионов и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлич. связь). Из известных (1980) 106 хим. элементов 83-М. Если в периодич. системе элементов провести прямую от В до At (см.

табл.), то М. будут расположены слева от неё. Совокупность перечисленных св-в присуща типичным М. (напр., Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атм. давлении, комнатной темп-ре). При очень высоких давлениях (=105-106 атм или 1010-1011 Па) св-ва М. могут значительно измениться, а неметаллы приобрести металлич. св-ва. Металлич. блеск присущ только компактным металлич. образцам и металлич. плёнкам, мелкодисперсные порошки М. часто имеют чёрный или серый цвет. Многие элементы по одним св-вам можно отнести к М., по другим к неметаллам. Особенно много таких «нарушений» имеется вблизи границы, обозначенной в таблице. Напр., Ge М. по внеш. виду и хим. св-вам, а по величине и хар-ру электропроводности полупроводник; существуют также полуметаллы. Металлич. сплавы по св-вам имеют много общего с М., поэтому их нередко относят к М. Большинство М. кристаллизуется в кубических объёмно-центрированной (ОЦК) и гранецентрированной (ГЦК) решётках и гексагональной (ГПУ) решётке. Это соответствует наиб. плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число М. имеет более сложные типы крист. решёток. Многие М. в зависимости от темп-ры и давления могут существовать в виде неск. крист. модификаций (см. ПОЛИМОРФИЗМ). Электрические свойства. Уд. электропроводность М. при комнатной темп-ре =10-8'-10-6 Ом-1 •м-1.

Характерное св-во М. как проводников линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрич. поля (закон Ома). Носителями тока в М. явл. эл-ны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантовомеханич. представлениям, в идеальном кристалле эл-ны проводимости (при отсутствии тепловых колебаний крист.

решётки) не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных М. электрич. сопротивления результат нарушения периодичности крист. решётки. Эти нарушения (дефекты) связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. статич. дефектов в кристаллах. На колебаниях и дефектах происходит рассеяние эл-нов.

Мерой рассеяния служит длина свободного пробега l -ср. расстояние между двумя последовательными столкновениями эл-нов с дефектами. Величина уд. электропроводности а связана с l соотношением: где n концентрация эл-нов проводимости (=1022 1023 см-3), езаряд эл-на, рF=2pС›(3n/8p)1/3граничный фермиевский импульс (см. ФЕРМИ ПОВЕРХНОСТЬ). Зависимость s или уд. электросопротивления r=s-1 от темп-ры Т связана с зависимостью l от Т. При комнатных темп-рах l=10-6 см. При темп-pax, значительно превышающих Дебая температуру, сопротивление r обусловлено гл. обр. тепловыми колебаниями атомов и возрастает с темп-рой линейно: r =rост(1+aT).

(2) Постоянная a, наз. температурным коэфф. сопротивления, имеет при темп-ре T=0В°C типичное значение: a=4•10-3 К-1. При более низких темп-pax, когда влиянием тепловых колебаний на рассеяние эл-нов можно пренебречь, сопротивление практически перестаёт зависеть от темп-ры. Это предельное значение сопротивления наз. остаточным. Величина rост характеризует концентрацию дефектов в решётке М.

Удаётся получить столь чистые (с в е р х ч и с т ы е) и свободные от дефектов М., что у них rост в 104-105 раз меньше уд. сопротивления при комнатной темп-ре. В сверхчистых М. l достигает 10-2 см. При низких темп-pax (Td. При этом напряжённость поля существенно изменяется на длине свободного пробега, что проявляется в хар-ре отражения эл.-магн. волн от поверхности М.

(а н о м а л ь н ы й с к и н э ф ф е к т). Сильное пост. магн. поле Н существенно влияет на радиочастотные св-ва М. Если на М., помещённый в сильное пост. магн. поле Н, падает эл.-магн. волна, частота к-рой кратна частоте прецессии эл-нов проводимости вокруг силовых линий поля Н, наблюдаются резонансные явления (см. ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС).

При определ. условиях в толще М., находящемся в пост. магн. поле, могут распространяться слабо затухающие эл.-магн. волны, т. е. скин-эффект исчезает. Электродинамнч. св-ва М., помещённого в магн. поле, сходны , со св-вами плазмы в магн. поле и явл. источником информации об эл-нах проводимости.

Для эл.-магн. волн оптич. диапазона М., как правило, практически непрозрачны. Тонкая структура линий характернстич. рентг. спектров, соответствующая квант. переходам эл-нов из зоны проводимости на более глубокие уровни, отражает распределение эл-нов проводимости по уровням энергии. Магнитные свойства. Все переходные металлы с недостроенными fи d-электронными оболочками явл.

парамагнетиками. Нек-рые из них при определ. темп-pax переходят в магнитоупорядоченное состояние (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ, АНГПИФЕРРОМАГНЕТИЗМ, КЮРИ ТОЧКА). Магн. упорядочение существенно влияет на все другие св-ва М., в частности на электрич.

св-ва: в электрич. сопротивление вносит вклад рассеяние эл-нов на колебаниях упорядоченной системы магн. моментов эл-нов (см. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ). Гальваномагн. явления при этом также приобретают специфич. черты. Магн. св-ва всех остальных М. определяют эл-ны проводимости, дающие вклад как в диамагнитную, так и в парамагнитную восприимчивости М.

, и ионы, к-рые, как правило, диамагнитны (см. ДИАМАГНЕТИЗМ). Магн. восприимчивость c для большинства М. сравнительно мала (c=10-6) и слабо зависит от темп-ры. При низких темп-pax и в сильных магн. полях у всех металлич. монокристаллов наблюдается сложная осциллирующая зависимость суммарного магн. момента от поля Н (см. ДЕ ХААЗА ВАН АЛЬФЕНА ЭФФЕКТ).

Эффекты де Хааза ван Альфена и Шубникова де Хааза имеют общую природу. Механические свойства. Многие М. и сплавы обладают комплексом механич. св-в, обеспечивающим их широкое применение в технике в кач-ве конструкц. материалов. Это в первую очередь сочетание высоких пластичности и вязкости со значительными прочностью, твёрдостью и упругостью, причём соотношение этих св-в может регулироваться в большом диапазоне с помощью механич.

и термич. обработки М., а в сплавах изменением (иногда незначительным) концентрации компонентов. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании. Исходной хар-кой механич. св-в М. явл. модуль упругости G, определяющий сопротивление крист. решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи в кристалле.

Сопротивление разрушению или пластич. деформации идеального кристалла велико (=10-1 G). Но в реальных кристаллах эти хар-ки, как и все механич. св-ва, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокацией. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к скольжению осн. механизму пластич. деформации М. (см. ПЛАСТИЧНОСТЬ). Важнейшая особенность М.малое сопротивление перемещению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлич. связью, к-рые обычно имеют плотно-упакованные структуры (ГЦК или ГПУ).

Увеличение сопротивления пластич. деформации (по крайней мере, в этих кристаллах) связано со вз-ствием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах (с др. дислокациями, примесными атомами, внутр. поверхностями раздела). Вз-ствие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорц. G. В результате большой плотности дислокаций и др.

дефектов прочность М. возрастает. В процессе деформации число дислокаций в крист. решётке увеличивается, соотв. растёт сопротивление пластич. деформации (д е ф о р м а ц и о н н о е у п р о ч н е н и е или н а к л ё п). По мере роста плотности дислокаций при пластич. деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению очагов разрушения трещин. Концентрации напряжений имеются и без деформации в местах скопления примесей, ч-ц др. фаз и т. п. Но, вследствие пластичности М., деформация вблизи скоплений предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокации растёт, то это приводит к хрупкому разрушению. .