МЕТА́ЛЛЫ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 20. Москва, 2012, стр. 96-101

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: M. И. Каганов, В. С. Эдельман; Г. В. Зимина (химические свойства и получение), В. С. Крапошин (механические свойства)

МЕТА́ЛЛЫ, ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов, лег­ко от­даю­щих элек­тро­ны в про­цес­се хи­мич. ре­ак­ций, и об­ла­даю­щие ха­рак­тер­ны­ми свой­ст­ва­ми – вы­со­ки­ми элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­стью, пла­стич­но­стью, по­ло­жи­тель­ным тем­пе­ра­тур­ным ко­эф. элек­трич. со­про­тив­ле­ния, спо­соб­но­стью хо­ро­шо от­ра­жать свет и т. д. К М. от­но­сят­ся как соб­ст­вен­но М. (про­стые ве­ще­ст­ва), так и их спла­вы и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния (ин­тер­ме­тал­ли­ды), ко­то­рые от обыч­ных M. от­ли­ча­ют­ся бо­лее слож­ной кри­стал­лич. струк­ту­рой. В ме­тал­лич. со­стоя­нии мо­гут на­хо­дить­ся силь­но ле­ги­ро­ван­ные по­лу­про­вод­ни­ки, а так­же ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из ато­мов не­ме­тал­лов, напр. по­ли­мер­ный кри­сталл $\ce{(SN)}_x$. Ме­тал­лич. свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют так­же не­ко­то­рые хи­мич. со­еди­не­ния (напр., кри­стал­лы ок­си­дов ти­па $\ce{MoO_2, WO_2,}$ халь­ко­ге­ни­дов $\ce{NbSe_2, TaS_2}$), кри­стал­лы, со­дер­жа­щие ор­га­нич. ком­плек­сы (см. Ор­га­ни­че­ские про­вод­ни­ки), мно­го­ком­по­нент­ные ма­те­риа­лы со струк­ту­рой пе­ров­ски­та (напр., $\ce{YBa_2Cu_3O_7}$) или со слои­стой струк­ту­рой (напр., $\ce{Bi_2Sr_2CaCu_2O_8}$), яв­ля­ющие­ся вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ны­ми сверх­про­вод­ни­ка­ми.

В при­ро­де M. су­ще­ст­ву­ют в со­ста­ве хи­мич. со­еди­не­ний – ок­си­дов, суль­фи­дов и др., об­ра­зую­щих ру­ды; $\ce{Au, Ag, Pt, Cu}$ и др. встре­ча­ют­ся так­же в са­мо­род­ном со­стоя­нии.

В обыч­ных ус­ло­ви­ях M. – твёр­дые те­ла, имею­щие кри­стал­лич. строе­ние (в па­ро­об­раз­ном со­стоя­нии – в осн. од­но­атом­ные га­зы). Темп-ры плав­ле­ния M. вы­ше 300 К (кро­ме рту­ти, её темп-ра плав­ле­ния –38,83 °C). Макс. темп-ру плав­ле­ния име­ет вольф­рам (ок. 3420 °C). При плав­ле­нии M. со­хра­ня­ют ме­тал­лич. свой­ст­ва (см. Жид­кие ме­тал­лы). Ис­кус­ст­вен­но соз­да­ны аморф­ные твёр­дые M. (см. Аморф­ные ме­тал­лы, Стек­ло ме­тал­ли­че­ское).

Боль­шин­ст­во про­стых M. кри­стал­ли­зу­ет­ся в объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской, гра­не­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской и гек­са­го­наль­ной плотноупакован­ной ре­шёт­ках (см. Ме­тал­ли­че­ские кри­стал­лы). Сре­ди др. ре­шё­ток – тет­ра­го­наль­ная с 1–2 ато­ма­ми в эле­мен­тар­ной ячей­ке (напр., In). Лишь не­боль­шое чис­ло M. име­ют бо­лее слож­ное строе­ние, напр. низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная мо­ди­фи­ка­ция Mn, в эле­мен­тар­ной ячей­ке ко­то­ро­го 58 ато­мов. Мн. М. в за­ви­си­мо­сти от темп-ры и дав­ле­ния мо­гут су­ще­ст­во­вать в разл. кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ци­ях. Не­ко­то­рые ве­щест­ва в за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры мо­гут быть M., ди­элек­три­ка­ми, по­лу­про­вод­ни­ка­ми или по­лу­ме­тал­ла­ми, напр. Sn (бе­лое оло­во с тет­ра­го­наль­ной струк­ту­рой – M., се­рое оло­во с ку­бич. струк­ту­рой ал­ма­за – по­лу­про­вод­ник), С (гра­фит – по­лу­ме­талл, ал­маз – ди­элек­трик) (см. По­ли­мор­физм).

М. и спла­вы обыч­но со­сто­ят из боль­шо­го числа мел­ких кри­стал­лов (зё­рен), не­раз­ли­чи­мых не­во­ору­жён­ным гла­зом. Зёр­на мо­гут иметь ок­руг­лую или вы­тя­ну­тую фор­му, быть круп­ны­ми или мел­ки­ми и рас­по­ла­гать­ся от­но­си­тель­но друг дру­га в оп­ре­де­лён­ном по­ряд­ке или слу­чай­но. Фор­ма, раз­мер и вза­им­ное рас­по­ло­же­ние, а так­же ори­ен­ти­ров­ка зё­рен за­ви­сят от ус­ло­вий их об­ра­зо­ва­ния.

Историческая справка

Тер­мин «М.» про­изо­шёл от греч. сло­ва μέταλλον (от μεταλλεύω – вы­ка­пы­вать, до­бы­вать из зем­ли), ко­то­рое пер­во­на­чаль­но оз­на­ча­ло «ко­пи, руд­ни­ки» (в этом зна­че­нии оно встре­ча­ет­ся у Ге­ро­до­та в 5 в. до н. э.). То, что до­бы­ва­лось в руд­ни­ках, Пла­тон на­зы­вал μεταλλεία . В древ­но­сти и в сред­ние ве­ка счи­та­лось, что су­ще­ст­ву­ет толь­ко 7 М.: зо­ло­то, се­реб­ро, же­ле­зо, ртуть, оло­во, медь, сви­нец. По ал­хи­мич. пред­став­ле­ни­ям, М. за­ро­ж­да­лись в зем­ных не­драх под влия­ни­ем «лу­чей» пла­нет и по­сте­пен­но со­вер­шен­ст­во­ва­лись, пре­вра­ща­ясь в зо­ло­то (см. Ал­хи­мия). Ал­хи­ми­ки по­ла­га­ли, что М. – ве­ще­ст­ва слож­ные, со­стоя­щие из «на­ча­ла ме­тал­лич­но­сти» (рту­ти) и «на­ча­ла го­рю­че­сти» (се­ры). В нач. 18 в. по­лу­чи­ла рас­про­стра­не­ние ги­по­те­за, со­глас­но ко­то­рой не­бла­го­род­ные М. со­сто­ят из зо­лы («ока­ли­ны») и «на­ча­ла го­рю­че­сти» – фло­ги­сто­на. М. В. Ло­мо­но­сов на­счи­ты­вал 6 М. ($\ce{Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb}$) и оп­ре­де­лял М. как «свет­лое те­ло, ко­то­рое ко­вать мож­но». В кон. 18 в. А. Ла­ву­а­зье оп­ро­верг ги­по­те­зу фло­ги­сто­на. В ру­ко­во­дстве по хи­мии (1789) он дал спи­сок про­стых ве­ществ, 17 из ко­то­рых от­нёс к М. ($\ce{Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn}$). По ме­ре раз­ви­тия ме­то­дов хи­мич. ис­сле­до­ва­ния чис­ло из­вест­ных М. воз­рас­та­ло. В 1-й пол. 19 в. бы­ли от­кры­ты спут­ни­ки Pt, по­лу­че­ны пу­тём элек­тро­ли­за не­ко­то­рые ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М., по­ло­же­но на­ча­ло раз­де­ле­нию ред­ко­зе­мель­ных М., при хи­мич. ана­ли­зе ми­не­ра­лов от­кры­ты не­из­вест­ные ра­нее М. В 1860–63 ме­то­дом спек­траль­но­го ана­ли­за от­кры­ты $\ce{Cs, Rb, Tl, In}$. В кон. 19 – нач. 20 вв. под­твер­ди­лось су­ще­ст­во­ва­ние М., пред­ска­зан­ных Д. И. Мен­де­лее­вым на ос­но­ве его пе­рио­дич. за­ко­на. От­кры­тие ра­дио­ак­тив­но­сти в кон. 19 в. по­влек­ло за со­бой по­ис­ки при­род­ных ра­дио­ак­тив­ных М. На­чи­ная с 1930–1940-х гг. ме­то­дом ядер­ных пре­вра­ще­ний ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные М., в ча­ст­но­сти транс­ура­но­вые эле­мен­ты.

Ши­ро­кое ис­поль­зо­ва­ние М. при­ве­ло к то­му, что их осн. фи­зич. свой­ст­ва бы­ли изу­че­ны ещё в 19 в. Мик­ро­ско­пич. тео­рия М. на­ча­ла раз­ви­вать­ся в 20 в. В 1900 П. Дру­де пред­ло­жил мо­дель М., в ко­то­рой элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­то­ком элек­трон­но­го га­за, за­пол­няю­ще­го про­ме­жут­ки ме­ж­ду ато­ма­ми. Х. Ло­ренц раз­вил идею Дру­де, при­ме­нив к элек­трон­но­му га­зу ки­не­тич. тео­рию га­зов. Од­на­ко по­стро­ен­ная на при­ме­не­нии за­ко­нов клас­сич. ме­ха­ни­ки и ста­ти­сти­ки тео­рия Дру­де – Ло­рен­ца не мог­ла объ­яс­нить не­ко­то­рые экс­пе­рим. фак­ты. В 1927–28 В. Пау­ли и А. Зом­мер­фельд устра­ни­ли ряд не­до­стат­ков тео­рии Дру­де, пред­по­ло­жив, что осн. часть элек­трон­но­го га­за в М. при обыч­ных темп-рах на­хо­дит­ся в вы­ро­ж­ден­ном со­стоя­нии; эти ра­бо­ты лег­ли в ос­но­ву совр. элек­трон­ной тео­рии ме­тал­лов.

В 1929–30 Ф. Блох и Л. Брил­лю­эн рас­смот­ре­ли влия­ние пе­рио­дич. по­ля кри­стал­лич. ре­шёт­ки на элек­трон­ный газ, что при­ве­ло к соз­да­нию зон­ной тео­рии твёр­дых тел. При­ме­не­ние к элек­тро­нам в М. тео­рии об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия (В. Гей­зен­берг, П. Ди­рак, 1928) по­зво­ли­ло по­нять при­ро­ду фер­ро­маг­не­тиз­ма и об­на­ру­жить но­вые маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ные со­стоя­ния М. – ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм (Л. Не­ель, 1932) и фер­ри­маг­не­тизм. В 1911 Х. Ка­мер­линг-Оннес от­крыл яв­ле­ние сверх­про­во­ди­мо­сти. Ис­сле­до­ва­ние взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов друг с дру­гом и с ре­шёт­кой по­зво­ли­ло рас­крыть при­ро­ду этого явления (Дж. Бар­дин, Л. Ку­пер, Дж. Шриф­фер, 1956). Изу­че­ние нор­маль­ных, сверх­про­во­дя­щих и маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных М. – три осн. на­прав­ле­ния совр. мик­ро­ско­пич. тео­рии ме­тал­лов.

Химические свойства и методы получения

В длин­ной фор­ме пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов гра­ни­ца ме­ж­ду эле­мен­та­ми-М. и эле­мен­та­ми-не­ме­тал­ла­ми про­во­дит­ся по диа­го­на­ли от B до At: М. рас­по­ло­же­ны сле­ва от этой ли­нии (к М. от­но­сят­ся ок. 90 из­вест­ных хи­мич. эле­мен­тов, точ­нее – все эле­мен­ты за ис­клю­че­ни­ем $\ce{H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te,}$ га­ло­ге­нов и бла­го­род­ных га­зов). По строе­нию ато­ма М. под­раз­де­ля­ют­ся на не­пе­ре­ход­ные и пе­ре­ход­ные; сре­ди не­пе­ре­ход­ных М. вы­де­ля­ют ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные, сре­ди пе­ре­ход­ных – $d$- и $f$-М., а так­же ред­ко­зе­мель­ные, пла­ти­но­вые, транс­ура­но­вые и др. М. (см. в ст. Хи­ми­че­ские эле­мен­ты).

Для ато­мов М. ха­рак­тер­ны бо­лее низ­кие зна­че­ния энер­гии ио­ни­за­ции, чем для ато­мов не­ме­тал­лов. В из­ме­не­нии зна­че­ний энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов М. при уве­ли­че­нии их по­ряд­ко­во­го но­ме­ра яв­но вы­ра­же­на пе­рио­дич­ность: в об­щем, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. пе­рио­да энер­гии ио­ни­за­ции М. воз­рас­та­ют, при уве­ли­че­нии по­ряд­ко­во­го но­ме­ра в пре­де­лах отд. груп­пы – убы­ва­ют; от­кло­не­ния от этой тен­ден­ции обу­слов­ле­ны строе­ни­ем элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов (под­роб­нее см. в ст. Пе­рио­ди­че­ская сис­те­ма хи­ми­че­ских эле­мен­тов).

Сла­бой свя­зью ва­лент­ных элек­тро­нов с ядром ато­ма объ­яс­ня­ют­ся мн. свой­ст­ва М., про­яв­ляю­щие­ся в хи­мич. про­цес­сах: об­ра­зо­ва­ние по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов (ка­тио­нов), об­ра­зо­ва­ние осно́в­ных ок­си­дов и гид­ро­кси­дов с осно́в­ны­ми свой­ст­ва­ми (ос­но­ва­ний), за­ме­ще­ние во­до­ро­да в ки­сло­тах и т. д. В хи­мич. ре­ак­ци­ях М. вы­сту­па­ют как до­но­ры элек­тро­нов (вос­ста­но­ви­те­ли); в кри­стал­лах хи­мич. со­еди­не­ний с др. эле­мен­та­ми, а так­же в вод­ных рас­тво­рах со­еди­не­ний об­ра­зу­ют в осн. эле­мен­тар­ные ка­тио­ны (в рас­тво­рах – ак­ва­ка­тио­ны). М. мо­гут вхо­дить в со­став слож­ных анио­нов, напр. пер­ман­га­нат-ани­он $\ce{MnO_4^-}$, в т. ч. ком­плекс­ных, напр. аци­до­ком­плекс $\ce{[Fe(CN)_6]^{4–}}$. В слож­ных ио­нах и по­ляр­ных мо­ле­ку­лах ато­мы М. яв­ля­ют­ся цен­тра­ми по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да. Спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные эле­мен­тар­ные ио­ны для М. не­ха­рак­тер­на (тем не ме­нее фор­маль­но от­ри­ца­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния М. встре­ча­ют­ся в це­лом ря­де ком­плекс­ных со­еди­не­ний).

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ная хи­мич. ре­ак­ция, свой­ст­вен­ная всем М., – окис­ле­ние. Спо­соб­ность М. к окис­ле­нию ме­ня­ет­ся в очень ши­ро­ких пре­де­лах. Мн. М. окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха уже при ком­нат­ной темп-ре, од­на­ко ско­рость и ме­ха­низм ре­ак­ции очень силь­но за­ви­сят от при­ро­ды М. Боль­шин­ст­во М. при взаи­мо­дей­ст­вии с ки­сло­ро­дом об­ра­зу­ют ок­си­ды, ще­лоч­ные (кро­ме $\ce{Li}$) и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. – так­же пepоксиды и над­пе­рок­си­ды. Окис­ле­ние при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию на по­верх­но­сти ком­пакт­но­го М. плён­ки ок­си­да. Та­кие плён­ки, как пра­ви­ло, име­ют рых­лую струк­ту­ру, и их об­ра­зо­ва­ние не за­щи­ща­ет М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния. Очень плот­ные плён­ки, пре­до­хра­няю­щие М. от даль­ней­ше­го окис­ле­ния, ха­рак­тер­ны, напр., для $\ce{Al, Ti, Сr,}$ ко­то­рые ус­той­чи­вы на воз­ду­хе, хо­тя и об­ла­да­ют вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­стью. Край­не не­ус­той­чи­вы на воз­ду­хе ще­лоч­ные М. С азо­том ряд М. (напр., $\ce{Li}$) реа­ги­ру­ют при ком­нат­ной темп-ре, дру­гие М. (напр., $\ce{Mg, Zr, Hf, Ti}$) – при на­гре­ва­нии; при этом об­ра­зу­ют­ся нит­ри­ды. Мн. М. ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­до­ро­дом (об­ра­зу­ют­ся гид­ри­ды), га­ло­ге­на­ми (га­ло­ге­ни­ды), се­рой (суль­фи­ды), фос­фо­ром (фос­фи­ды), др. не­ме­тал­ла­ми. Наи­бо­лее ак­тив­ные М. реа­ги­ру­ют с уг­ле­ро­дом, об­ра­зуя кар­би­ды и аце­ти­ле­ни­ды. В ре­зуль­та­те ме­тал­ли­ро­ва­ния ор­га­нич. мо­ле­кул об­ра­зу­ют­ся ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния. При сплав­ле­нии М. друг с дру­гом – твёр­дые рас­тво­ры или ин­тер­ме­тал­ли­ды.

М., имею­щие пе­ре­мен­ную ва­лент­ность (напр., $\ce{Cr, Mn, Fe}$), в со­еди­не­ни­ях, от­ве­чаю­щих низ­шим сте­пе­ням окис­ле­ния ($\ce{Cr^{2+}, Mn^{2+}, Fe^{2+}}$), про­яв­ля­ют вос­ста­но­вит. свой­ст­ва; в выс­ших сте­пе­нях окис­ле­ния те же М. ($\ce{Cr^{6+}, Mn^{7+}, Fe^{3+}}$) об­на­ру­жи­ва­ют окис­лит. свой­ст­ва. Для вод­ных рас­тво­ров и рас­тво­ров элек­тро­ли­тов окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. свой­ст­ва М. вы­ра­жа­ют с по­мо­щью элек­тро­хи­мич. ря­да на­пря­же­ний (см. в ст. Элек­трод­ный по­тен­ци­ал). М., для ко­то­рых стан­дарт­ные элек­трод­ные по­тен­циа­лы мень­ше, чем –0,413 В, окис­ля­ют­ся во­дой с вы­де­ле­ни­ем $\ce{H_2}$ (ще­лоч­ные и щё­лоч­но­зе­мель­ные М. реа­ги­ру­ют с во­дой при ком­нат­ной темп-ре; та­кие М., как $\ce{Zn}$ или $\ce{Fe}$, реа­ги­ру­ют с во­дя­ным па­ром при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах). С рас­тво­ра­ми ще­ло­чей взаи­мо­дей­ст­ву­ют М., об­ра­зую­щие рас­тво­ри­мые ани­он­ные гид­ро­ксо­ком­плек­сы ($\ce{Be, Zn, Al, Ga, Sn}$). Боль­шин­ст­во М. окис­ля­ют­ся те­ми или ины­ми ки­сло­та­ми. М., стоя­щие в элек­тро­хи­мич. ря­ду на­пря­же­ний до во­до­ро­да, окис­ля­ют­ся ио­на­ми $\ce{H^+}$ и по­это­му рас­тво­ря­ют­ся при дей­ст­вии не­окис­ляю­щих ки­слот ($\ce{HCl}$ или раз­бав­лен­ной $\ce{H_2SO_4}$), но толь­ко ес­ли не об­ра­зу­ют­ся не­рас­тво­ри­мые про­дук­ты; ре­ак­ции спо­соб­ст­ву­ет об­ра­зо­ва­ние ани­он­ных ком­плек­сов. Азот­ная ки­сло­та, да­же раз­бав­лен­ная, окис­ля­ет мно­гие М. При этом, ес­ли ио­ны М. ус­той­чи­вы в низ­ших сте­пе­нях окис­ле­ния, об­ра­зу­ют­ся ка­ти­он­ные ком­плек­сы, ес­ли в выс­ших, как в слу­чае, напр., $\ce{Re}$, – ани­он­ные ($\ce{ReO_4^-}$). Не­ко­то­рые М. реа­ги­ру­ют с раз­бав­лен­ны­ми $\ce{HNO_3}$ и $\ce{H_2SO_4}$ с об­ра­зо­ва­ни­ем ка­ти­он­ных ком­плек­сов и пас­си­ви­ру­ют­ся в кон­цен­три­ров. рас­тво­рах этих ки­слот. Для рас­тво­ре­ния ма­ло­ак­тив­ных М., напр. $\ce{Au}$ или $\ce{Pt}$, ис­поль­зу­ют сме­си, со­дер­жа­щие окис­ли­тель и до­нор ли­ган­дов, не­об­хо­ди­мый для об­ра­зо­ва­ния рас­тво­ри­мых ком­плек­сов (напр., сме­си $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HCl}$ или $\ce{HNO_3}$ с $\ce{HF}$).

Важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка М. – их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать осно́вные ок­си­ды и со­от­вет­ст­вую­щие гид­ро­кси­ды, а так­же со­ли – про­дук­ты за­ме­ще­ния в ки­сло­тах про­то­на на ион М. На при­ме­ре гид­ро­кси­дов М. мож­но про­сле­дить за­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния свойств со­еди­не­ний в за­ви­си­мо­сти от из­ме­не­ния ме­тал­лич. ха­рак­те­ра эле­мен­та; в ча­ст­но­сти, наи­более ти­пич­ные М. – ще­лоч­ные – об­ра­зу­ют наи­бо­лее силь­ные ос­но­ва­ния (см. в ст. Щё­ло­чи). О взаи­мо­дей­ст­вии М. со сре­дой, ве­ду­щей к их раз­ру­ше­нию, см. в ст. Кор­ро­зия.

Для по­лу­че­ния М. прак­тич. зна­че­ние име­ют неск. осн. ме­то­дов: вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. уг­ле­ро­дом или во­до­ро­дом; вос­ста­нов­ле­ние ок­си­дов М. дру­ги­ми М. (ме­тал­ло­тер­мия); вос­ста­нов­ле­ние га­ло­ге­ни­дов или суль­фи­дов М. во­до­ро­дом или ме­тал­ла­ми; тер­мич. раз­ло­же­ние под­хо­дя­щих со­еди­не­ний М. (напр., кар­бо­ни­лов); элек­тро­хи­мич. ме­то­ды. По­сколь­ку дос­ти­же­нию тре­буе­мых экс­плуа­тац. ха­рак­те­ри­стик ме­ша­ет при­сут­ст­вие в М. при­ме­сей, ис­поль­зу­ют­ся разл. ме­то­ды очи­ст­ки М. (зон­ная плав­ка, экс­трак­ци­он­ные ме­то­ды и т. д.).

Под­роб­нее о свой­ст­вах, ме­то­дах по­лу­че­ния и очи­ст­ки М. мож­но уз­нать в стать­ях, по­свя­щён­ных отд. М. или их груп­пам. См. так­же Ме­тал­ло­ве­де­ние, Ме­тал­лур­гия.

Металлическое состояние

M. мож­но пред­ста­вить как ве­ще­ст­ва, со­стоя­щие из по­ло­жит. ио­нов и сво­бод­ных элек­тро­нов (элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти). Элек­тро­ны ком­пен­си­ру­ют си­лы от­тал­ки­ва­ния, дей­ст­вую­щие ме­ж­ду по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ны­ми ио­на­ми, и тем са­мым спо­соб­ст­ву­ют свя­зы­ва­нию их в твёр­дое те­ло или жид­кость (ме­тал­ли­че­ская связь, см. в ст. Хи­ми­че­ская связь). Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти оп­ре­де­ля­ют элек­трич., маг­нит­ные, оп­тич. свой­ст­ва М., а так­же их те­п­ло­про­вод­ность, а при низ­ких темп-pax – те­п­ло­ём­кость. Зна­чи­тель­на роль элек­тро­нов в сжи­мае­мо­сти M. и др. ме­ха­нич. свой­ст­вах; их на­ли­чие де­ла­ет M. пла­стич­ными. Из­ме­не­ние элек­трон­но­го спек­тра ино­гда слу­жит при­чи­ной фа­зо­вых пе­ре­хо­дов в M., при ко­то­рых из­ме­не­ние кри­стал­лич. струк­ту­ры но­сит вто­рич­ный ха­рак­тер (напр., пе­ре­ход из нор­маль­но­го со­стоя­ния M. в сверх­про­во­дя­щее или из па­ра­маг­нит­но­го в фер­ро- или ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное).

Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка ме­тал­лич. со­стоя­ния – чис­ло элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти $n$ в 1 см3 (или их чис­ло на эле­мен­тар­ную ячей­ку кри­стал­ла ли­бо на 1 атом). Как пра­ви­ло, из всех элек­тро­нов ато­ма кол­лек­ти­ви­зи­ру­ют­ся толь­ко ва­лент­ные. Это да­ёт воз­мож­ность по хи­мич. свой­ствам ато­мов, из ко­то­рых со­сто­ит кри­сталл, и по его гео­мет­рич. струк­ту­ре опре­де­лить $n=Z/V_0$, где $Z$ – чис­ло ва­лент­ных элек­тро­нов, $V_0$ – объ­ём эле­мен­тар­ной ячей­ки.

Mн. свой­ст­ва M. мож­но объ­яс­нить, счи­тая, что элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти – иде­аль­ный вы­ро­ж­ден­ный газ фер­мио­нов, а роль ио­нов сво­дит­ся к соз­да­нию по­тен­ци­аль­ной ямы, в ко­то­рой дви­жут­ся элек­тро­ны (мо­дель Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да; см. Дру­де тео­рия, Зом­мер­фель­да тео­рия). В этой мо­де­ли темп-pa вы­ро­ж­де­ния $T_\text F$ элек­трон­но­го га­за по­ряд­ка 104–105 К, т. е. прак­ти­че­ски при лю­бой темп-ре су­ще­ст­во­ва­ния М. элек­трон­ный газ в нём вы­ро­ж­ден (см. Вы­ро­ж­ден­ный газ).

Бо­лее пол­ное объ­яс­не­ние свойств M. да­ёт зон­ная тео­рия твёр­до­го те­ла, ко­то­рая рас­смат­ри­ва­ет дви­же­ние отд. элек­тро­на в пе­рио­дич. по­ле с по­тен­циа­лом $U{\bf (r)}$, соз­да­вае­мом ио­на­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки и ос­таль­ны­ми элек­тро­на­ми (од­но­элек­трон­ное при­бли­же­ние): $U({\bf r}+a)=U{\bf (r)}$, где ${\bf {r}}$ – про­стран­ст­вен­ная ко­ор­ди­на­та точ­ки, $a$ – пе­ри­од ре­шёт­ки (см. Бло­хов­ские элек­тро­ны).

Пе­рио­дич­ность U(r) по­зво­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ста­цио­нар­ное со­стоя­ние элек­тро­на про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пуль­сом ${\bf p}=ℏ{\bf k}$ ($ℏ$ – по­сто­ян­ная План­ка, ${\bf k}$  – ква­зи­вол­но­вой век­тор), ана­ло­гич­ным им­пуль­су час­ти­цы в сво­бод­ном про­стран­ст­ве. Вол­но­вая функ­ция элек­тро­на в ста­цио­нар­ном со­стоя­нии – ре­ше­ние Шрё­дин­ге­ра урав­не­ния для элек­тро­на, от­ве­чаю­щее собств. зна­че­нию энер­гии элек­тро­на $ℰ_s$. Вол­но­вая функ­ция и собств. зна­че­ние энер­гии (в от­ли­чие от слу­чая сво­бод­но­го элек­тро­на) – пе­рио­дич. функ­ции ква­зи­им­пуль­са. Ин­декс $s$, ну­ме­рую­щий ре­ше­ния урав­не­ния Шрё­дин­ге­ра, на­зы­ва­ют но­ме­ром зо­ны, $ℰ_s({\bf p})$ – за­ко­ном дис­пер­сии элек­тро­нов или элек­трон­ным спек­тром кри­стал­ла, со­от­вет­ст­вую­щим по­лю. В ка­ж­дой раз­ре­шён­ной энер­ге­тич. зо­не со­стоя­ния элек­тро­нов за­пол­ня­ют по­ло­су ме­ж­ду $ℰ_\text{мин}$ и $ℰ_\text{макс}$. Зо­ны мо­гут пе­рекры­вать­ся, но их ин­ди­ви­ду­аль­ность при этом со­хра­ня­ет­ся. С по­мо­щью за­ко­нов дис­пер­сии мож­но рас­счи­тать плот­ность элек­трон­ных со­стоя­ний в энер­ге­тич. зо­не.

Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ(p), тонкие – пустые состояния, штрихова...

Зон­ный ха­рак­тер спек­тра и Пау­ли прин­цип по­зво­ля­ют сфор­му­ли­ро­вать прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие M. от ди­элек­три­ка. T. к. в ка­ж­дую зо­ну мо­жет «по­мес­тить­ся» не бо­лее 2$N$ элек­тро­нов ($N$ – чис­ло ато­мов в кри­стал­ле), то в за­ви­си­мо­сти от чис­ла элек­тро­нов, при­хо­дя­щих­ся на 1 атом, и вза­им­но­го рас­по­ло­же­ния зон мо­гут осу­ще­ст­в­лять­ся два слу­чая: ли­бо в осн. со­стоя­нии (при T=0 К) име­ют­ся зо­ны, час­тич­но за­пол­нен­ные элек­тро­на­ми (рис. 1, а, б), ли­бо есть толь­ко це­ли­ком за­пол­нен­ные зо­ны и пус­тые (рис. 1, в). В пер­вом слу­чае кри­сталл яв­ля­ет­ся M. (рис. 1, б со­от­вет­ст­ву­ет по­лу­ме­тал­лу), во вто­ром – ди­элек­три­ком (или по­лу­про­вод­ни­ком).

В M. гра­ни­ца за­пол­не­ния уров­ней элек­тро­на­ми (энер­гия Фер­ми $ℰ_F$) по­па­да­ет в раз­ре­шён­ную зо­ну. Со­от­вет­ст­вую­щая ей изо­энер­ге­тич. по­верх­ность ℰ({\bf p})=ℰ_F (по­верх­ность Фер­ми) от­де­ля­ет об­ласть за­ня­тых элек­тро­на­ми со­стоя­ний от сво­бод­ных в им­пульс­ном про­стран­ст­ве.

Рис. 2. Поверхности Ферми вольфрама (а) и гадолиния (б).

По­верх­но­сти Фер­ми ще­лоч­ных М. ($\ce{Li, Na, K, Pb, Cs}$) – поч­ти иде­аль­ные сфе­ры. Это не оз­на­ча­ет, что элек­тро­ны этих М. не ис­пы­ты­ва­ют влия­ния ио­нов. Их эф­фек­тив­ные мас­сы от­ли­ча­ют­ся от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на $m_0$, напр. у $\ce{Na}$ $m=1,24m_0$. У всех M., кро­ме пе­ре­чис­лен­ных, по­верх­но­сти Фер­ми име­ют слож­ную фор­му (рис. 2).

Не­ко­то­рые свой­ст­ва M. (гл. обр. в силь­ном маг­нит­ном по­ле) очень чув­ст­ви­тель­ны к фор­ме по­верх­но­сти Фер­ми (см. Де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект, Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект), что по­зво­ли­ло эк­спе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­лить по­верх­ность Фер­ми мн. M. и ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ний.

Ме­то­ды зон­ной тео­рии по­зво­ли­ли оп­ре­де­лить за­ко­ны дис­пер­сии, вы­яс­нить про­ис­хо­ж­де­ние отд. ха­рак­тер­ных де­та­лей элек­трон­но­го спек­тра M. При всей слож­но­сти за­ко­нов дис­пер­сии пред­став­ле­ние об элек­тро­нах M. как лёг­ких (по срав­не­нию с ио­на­ми) за­ря­жен­ных час­ти­цах яв­ля­ет­ся пра­виль­ным на ка­че­ст­вен­ном уров­не и по­зво­ля­ет в рам­ках мо­де­ли Дру­де – Ло­рен­ца – Зом­мер­фель­да оце­нить по­ря­док ве­ли­чин осн. ха­рак­те­ри­стик M. – элек­трон­ной те­п­ло­ём­ко­сти, элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тол­щи­ны скин-слоя (см. Скин-эф­фект) и т. п. У не­ко­то­рых со­еди­не­ний ($\ce{CeAl_3, CeCu_6, CeCu_2Si_2, UB_{13}}$ и др.) об­на­ру­же­ны не­обыч­ные свой­ст­ва (напр., ги­гант­ская элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость), ука­зы­ваю­щие на то, что в них есть элек­тро­ны, об­ла­даю­щие ано­маль­но боль­шой эф­фек­тив­ной мас­сой.

При вы­со­ких дав­ле­ни­ях, ко­гда объ­ём, при­хо­дя­щий­ся на 1 атом, умень­ша­ет­ся, ато­мы те­ря­ют свою ин­диви­ду­аль­ность и лю­бое ве­ще­ст­во пре­вра­ща­ет­ся в силь­но сжа­тую элек­трон­но-ядер­ную плаз­му, т. е. в свое­об­раз­ный M. Ме­тал­ли­за­ция лю­бо­го ве­ще­ст­ва про­ис­хо­дит при плот­но­сти $≫20Z^2$, где $Z$ – атом­ный но­мер ве­ще­ст­ва. При та­ких плот­но­стях боль­шин­ст­во свойств ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ро­ж­ден­ным элек­трон­ным га­зом.

Электрические свойства

При ком­нат­ной темп-ре удель­ная элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ М. по­ряд­ка 10–8–10–6 Ом–1·м–1; с по­ни­же­ни­ем темп-ры она уве­ли­чи­ва­ет­ся. Ха­рак­тер­ное свой­ст­во M. в нор­маль­ном (не­сверх­про­во­дя­щем) со­стоя­нии – ли­ней­ная за­ви­си­мость ме­ж­ду плот­но­стью то­ка $j$ и на­пря­жён­но­стью $E$ при­ло­жен­но­го элек­трич. по­ля (Ома за­кон): $j=σE$.

Но­си­те­ли то­ка в M. – элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти с энер­ги­ей, близ­кой к $ℰ_F$. При­чи­на элек­трич. со­про­тив­ле­ния – рас­сея­ние элек­тро­нов на лю­бых на­ру­ше­ни­ях пе­рио­дич­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки: те­п­ло­вых ко­ле­ба­ни­ях ио­нов (фо­но­нах), са­мих элек­тро­нах, а так­же разл. де­фек­тах – при­мес­ных ато­мах, ва­кан­си­ях, дис­ло­ка­ци­ях, гра­ни­цах кри­стал­лов и об­раз­ца (см. Рас­сея­ние но­си­те­лей за­ря­да). Ме­рой рас­сея­ния слу­жит дли­на сво­бод­но­го про­бе­га $l$ – ср. рас­стоя­ние ме­ж­ду дву­мя по­сле­до­ва­тель­ны­ми столк­но­ве­ния­ми элек­тро­нов с де­фек­та­ми:$$σ=nel/p_\text{F},$$ где $n$ – кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти (по­ряд­ка 1022–1023 см–3), $e$ – за­ряд элек­тро­на, $p_\text{F}=2π\hbar (3n/8π)^{1/3}$ – т. н. гра­нич­ный фер­ми­ев­ский им­пульс. При $T$=300 К дли­на сво­бод­но­го про­бе­га l по­ряд­ка 10–6 см; с по­ни­же­ни­ем $T$ дли­на про­бе­га рас­тёт, дос­ти­гая (для вы­со­ко­каче­ст­вен­ных мо­но­кри­стал­лич. об­раз­цов) 0,1–1 см. Со­от­вет­ст­вен­но воз­рас­та­ет элек­трич. про­во­ди­мость $σ$ и умень­ша­ет­ся удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние $ρ=σ^{–1}$. От­но­ше­ние про­во­ди­мо­сти при $T$=4,2 К к про­во­ди­мо­сти при $T$=300 К ха­рак­те­ри­зу­ет со­вер­шен­ст­во и хи­мич. чис­то­ту ме­тал­лов.

Со­про­тив­ле­ние спла­вов зна­чи­тель­но вы­ше со­про­тив­ле­ния чис­тых M. При­чи­на это­го в на­ру­ше­нии иде­аль­но­сти кри­стал­лич. ре­шёт­ки (разл. ато­мы в уз­лах ре­шёт­ки) и на­ли­чии де­фек­тов. В ве­ще­ст­вах с боль­шим $ρ$ воз­ни­ка­ет ло­ка­ли­за­ция элек­трон­ных со­стоя­ний – про­во­ди­мость ис­че­за­ет (см. Ан­дер­со­нов­ская ло­ка­ли­за­ция).

При плав­ле­нии М. под­виж­ные элек­тро­ны в нём со­хра­ня­ют­ся, по­это­му со­хра­ня­ет­ся и боль­шая элек­трич. про­во­ди­мость, хо­тя раз­ру­ше­ние даль­не­го по­ряд­ка при­во­дит к скач­ко­об­раз­но­му рос­ту со­про­тив­ле­ния $ρ$. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют $\ce{Sb, Ga, Bi,}$ элек­трич. со­про­тив­ле­ние ко­то­рых при плав­ле­нии умень­ша­ет­ся.

При $T→0$ К у боль­шин­ст­ва M. про­ис­хо­дит ис­чез­но­ве­ние элек­трич. со­про­тив­ле­ния – они пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние.

Тепловые свойства

Те­п­ло­ём­кость М. обу­слов­ле­на ион­ным ос­то­вом (ре­шё­точ­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text p$) и элек­трон­ным га­зом (элек­трон­ная те­п­ло­ём­кость $C_\text э$). Хо­тя кон­цен­тра­ция элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти в М. ве­ли­ка и не за­ви­сит от темп-ры, $C_\text э$ на­блю­да­ет­ся у боль­шин­ст­ва М. толь­ко при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах (по­ряд­ка не­сколь­ких $\text K$), т. к. элек­трон­ный газ в М. вы­ро­ж­ден. При умень­шении темп-ры $C_\text p$ убы­ва­ет про­пор­цио­наль­но $T^3$, а $C_\text э$ – про­пор­цио­наль­но $T$. Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти вно­сят ли­ней­ный по $T$ вклад и в ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния ме­тал­лов.

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти при­ни­ма­ют уча­стие не толь­ко в пе­ре­но­се элек­трич. за­ря­да, но и в пе­ре­но­се те­п­ло­ты. Вслед­ст­вие боль­шой под­виж­но­сти элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти те­п­ло­про­вод­ность M. ве­ли­ка. Удель­ная элек­тро­про­вод­ность и элек­трон­ная часть те­п­ло­про­вод­но­сти M. свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем, на­зы­вае­мым Ви­де­ма­на – Фран­ца за­ко­ном. Те­п­ло­про­вод­ность спла­вов ни­же те­п­ло­про­вод­но­сти чис­тых ме­тал­лов.

При на­ли­чии гра­ди­ен­та темп-ры в M. воз­ни­ка­ет элек­трич. ток или раз­ность по­тен­циа­лов (тер­мо­эдс). Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за ко­эф­фи­ци­ен­ты, опи­сы­ваю­щие тер­мо­эдс и др. тер­мо­элек­трич. эф­фек­ты, ма­лы, од­на­ко их ис­сле­до­ва­ние по­зво­ля­ет об­на­ру­жить ув­ле­че­ние элек­тро­нов те­п­ло­вы­ми фо­но­на­ми. Взаи­мо­дей­ст­вие воз­бу­ж­дён­ных в M. аку­стич. волн с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию элек­трич. то­ка ли­бо раз­но­сти по­тен­циа­лов, про­пор­цио­наль­ной ин­тен­сив­но­сти по­то­ка фо­но­нов (см. Аку­сто­элек­три­че­ский эф­фект).

Магнитные свойства

Элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти об­ла­да­ют как па­ра­маг­нит­ны­ми (из-за на­ли­чия у ка­ж­до­го элек­тро­на соб­ст­вен­но­го маг­нит­но­го мо­мен­та), так и диа­маг­нит­ны­ми (свя­зан­ны­ми с кван­то­ва­ни­ем дви­же­ния элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной маг­нит­но­му по­лю) свой­ст­ва­ми (см. Па­ра­маг­не­тизм, Диа­маг­не­тизм). В маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость M. вно­сят вклад и ио­ны: у не­пе­ре­ход­ных M. ио­ны диа­маг­нит­ны, у пе­ре­ход­ных, как пра­ви­ло, па­ра­маг­нит­ны. Из-за вы­ро­ж­де­ния элек­трон­но­го га­за па­ра­маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость $χ$ элек­трон­но­го га­за сла­бо за­ви­сит от $T$ (см. Пау­ли па­ра­маг­не­тизм). При низ­ких темп-рах и в силь­ных маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью $H$ па­ра­маг­нит­ная вос­при­имчи­вость $χ$ ме­тал­лич. мо­но­кри­стал­лов ос­цил­ли­ру­ет как функ­ция $1/H$ (эф­фект де Хаа­за – ван Аль­ве­на).

Все пе­ре­ход­ные М. с не­до­стро­ен­ны­ми $d$- или $f$-элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми – па­ра­маг­не­ти­ки. Не­ко­то­рые M. при по­ни­же­нии темп-ры пе­ре­хо­дят в маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ное со­стоя­ние: фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Fe, Co, Ni, Gd}$), ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное (напр., $\ce{Ce, Mn}$) или в со­стоя­ние с ге­ли­кои­даль­ной маг­нит­ной атом­ной струк­ту­рой (напр., $\ce{Cr}$). При этом элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти иг­ра­ют су­ще­ст­вен­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии маг­нит­ных струк­тур (см. Фер­ро­маг­не­тизм, Ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм). Боль­шин­ст­во не­пе­ре­ход­ных М. ос­та­ют­ся па­ра­маг­не­ти­ка­ми или диа­маг­не­ти­ка­ми вплоть до $T$=0 К. Маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние су­ще­ст­вен­но влия­ет на все др. свой­ст­ва М., в ча­ст­но­сти на элек­трич. свой­ст­ва – в элек­трич. со­про­тив­ле­ние вно­сит вклад рас­сея­ние элек­тро­нов на спи­но­вых вол­нах.

Пе­ре­ход M. в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние со­про­во­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем его маг­нит­ных свойств: в сверх­про­во­дя­щем со­стоя­нии в сла­бых по­лях M. про­яв­ля­ет се­бя как диа­маг­не­тик, в ко­то­ром маг­нит­ное по­ле рав­но ну­лю из-за эк­ра­ни­ро­ва­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля не­за­ту­хаю­щи­ми вих­ре­вы­ми то­ка­ми (см. Мей­сне­ра эф­фект). В сверх­про­вод­ни­ках 1-го ро­да ($\ce{Sn, Pb, In}$ и др.) это вы­пол­ня­ет­ся вплоть до по­лей, раз­ру­шаю­щих сверх­про­во­ди­мость. В сверх­про­вод­ни­ках 2-го ро­да ($\ce{Nb_3Sn, NbTi}$ и др.) маг­нит­ное по­ле в ши­ро­ком диа­па­зо­не на­пря­жён­но­стей $H$, не раз­ру­шая сверх­про­во­ди­мость, про­ни­ка­ет в объ­ём М. в ви­де вих­рей, что ос­лаб­ля­ет диа­маг­не­тизм.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления

Ес­ли ме­тал­лич. об­ра­зец, по ко­то­ро­му те­чёт элек­трич. ток, по­мес­тить в по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, то в нём воз­ни­ка­ют яв­ле­ния, обу­слов­лен­ные ис­крив­ле­ни­ем тра­ек­то­рий элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной ${\bf H}$, что при­во­дит к из­ме­не­нию ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов (ко­эф. элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тер­мо­элек­трич. ко­эф. и др.) и к ря­ду но­вых яв­ле­ний: Хол­ла эф­фек­ту, маг­ни­то­со­про­тив­ле­нию и др. На за­ви­си­мость ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов от ${\bf H}$ влия­ют осо­бен­но­сти элек­трон­но­го энер­ге­тич. спек­тра M., в ча­ст­но­сти то­по­ло­гия по­верх­но­сти Фер­ми (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния). Да­же не слиш­ком силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­ких темп-pax (по­ряд­ка 1 К) мо­жет из­ме­нить ки­не­тич. свой­ст­ва M., напр. в де­сят­ки ты­сяч раз уве­ли­чить по­пе­реч­ное (от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния ${\bf H}$) со­про­тив­ле­ние (у $\ce{Bi}$) или прак­ти­че­ски пол­но­стью «вы­клю­чить» по­пе­реч­ную элек­трон­ную те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­ла.

Эмиссия электронов

При на­гре­ва­нии M. до вы­со­ких тем­пе­ра­тур на­блю­да­ет­ся эмис­сия («ис­па­ре­ние») элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. (см. Тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия). Чис­ло элек­тро­нов, вы­ле­таю­щих из M. в еди­ни­цу вре­ме­ни, про­пор­цио­наль­но ехр$(–W/kT)$, где $W$ – ра­бо­та вы­хо­да элек­тро­на из M., $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на. Ве­ли­чи­на $W$ у разл. M. (и да­же на раз­ных кри­стал­лич. гра­нях од­но­го M.) раз­лич­на и со­став­ля­ет 2–5 эВ; $W$ за­ви­сит от со­стоя­ния по­верх­но­сти. Раз­ли­чия в $W$ обу­слов­ли­ва­ют кон­такт­ную раз­ность по­тен­циа­лов ме­ж­ду разл. М. Эмис­сия элек­тро­нов с по­верх­но­сти M. про­ис­хо­дит так­же в силь­ных элек­трич. по­лях (на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 107 В/см) в ре­зуль­та­те тун­нель­но­го про­хо­ж­де­ния элек­тро­нов че­рез сни­жен­ный по­лем по­тен­ци­аль­ный барь­ер (см. Ав­то­элек­трон­ная эмис­сия). Тун­не­ли­ро­ва­ние эле­кт­ро­нов че­рез ма­лый (мень­ше 1 нм) за­зор ле­жит в ос­но­ве ска­ни­рую­щей тун­нель­ной мик­ро­ско­пии.

Эмис­сия элек­тро­нов воз­ни­ка­ет так­же под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов – фо­то­элек­трон­ная эмис­сия, при бом­бар­ди­ров­ке по­верх­но­сти М. элек­тро­на­ми – вто­рич­ная элек­трон­ная эмис­сия, или ио­на­ми – ион­но-элек­трон­ная эмис­сия, при взаи­мо­дей­ст­вии по­верх­но­сти М. с плаз­мой – взрыв­ная элек­трон­ная эмис­сия.

Mеталлы в электромагнитных полях

Пе­ре­мен­ный элек­трич. ток час­то­ты $ω$ те­чёт по по­верх­но­сти М., про­ни­кая в не­го на глу­би­ну скин-слоя тол­щи­ной $δ=c\sqrt{2πσω}$, где $c$ – ско­рость све­та (см. Вы­со­ко­час­тот­ная про­во­ди­мость); напр., для $\ce{Cu}$ $δ≈$ 6·10–6 м при $ω=$ 6·10–8 Гц. При па­де­нии элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на по­верх­ность M. часть элек­тро­маг­нит­ной энер­гии по­гло­ща­ет­ся в скин-слое, а др. часть пе­ре­из­лу­ча­ет­ся элек­тро­на­ми и от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти M. Коэф. от­ра­же­ния (для $\ce{Cu}≈$ 2·10–5).

При па­де­нии на М., по­ме­щён­ный в силь­ное по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, элек­тро­маг­нит­ных волн, час­то­та ко­то­рых рав­на или крат­на цик­ло­трон­ной час­то­те элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, в М. на­блю­да­ют­ся ре­зо­нанс­ные яв­ле­ния (см. Цик­ло­трон­ный ре­зо­нанс). В не­ко­то­рых M. (напр., ще­лоч­ных) мож­но на­блю­дать элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс на элек­тро­нах про­во­ди­мо­сти и спи­но­вые вол­ны.

M., по­ме­щён­ный в дос­та­точ­но силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­кой темп-ре, об­ла­да­ет мн. свой­ст­ва­ми, ха­рак­тер­ны­ми для плаз­мы: в нём мо­гут рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные сла­бо­за­ту­хаю­щие вол­ны (ге­ли­ко­ны, маг­ни­то­плаз­мен­ные вол­ны, до­п­ле­ро­ны и др.) (см. Плаз­ма твёр­дых тел).

Оптические свойства

Для элек­тро­маг­нит­ных волн оп­тич. диа­па­зо­на M., как пра­ви­ло, не­про­зрач­ны. Ха­рак­тер­ный блеск – след­ст­вие прак­ти­че­ски пол­но­го от­ра­же­ния све­та по­верх­но­стью M. При взаи­мо­дей­ст­вии све­та с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти M. важ­ную роль иг­ра­ет внутр. фо­то­эф­фект, т. е. вы­ну­ж­ден­ные (за счёт по­гло­ще­ния фо­то­нов) пе­ре­хо­ды элек­тро­нов из од­ной энер­ге­тич. зо­ны в дру­гую. Как пра­ви­ло, имен­но внутр. фо­то­эф­фект оп­ре­де­ля­ет ко­эф. по­гло­ще­ния из­лу­че­ния ви­ди­мо­го и УФ-диа­па­зо­нов и из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти M. под воз­дей­ст­ви­ем све­та (см. Фо­то­про­во­ди­мость). Чем вы­ше частота излучения, тем мень­шую роль иг­ра­ют элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти во взаи­мо­дей­ст­вии излучения с M.: в УФ- и рент­ге­нов­ском диа­па­зо­нах оп­тич. свой­ст­ва M. ма­ло от­ли­ча­ют­ся от свойств ди­элек­три­ков.

От­ра­же­ние плос­ко­по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та от по­верх­но­сти M. со­про­во­ж­да­ет­ся по­во­ро­том плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции и по­яв­ле­ни­ем эл­лип­тич. по­ля­ри­за­ции. Это яв­ле­ние ис­поль­зу­ет­ся для тех­нич. це­лей и для оп­ре­де­ле­ния оп­тич. кон­стант M. См. так­же Ме­тал­ло­оп­ти­ка.

Механические свойства

Для М. ха­рак­тер­но со­че­та­ние вы­со­ких пла­стич­но­сти и вяз­ко­сти со зна­чи­тель­ны­ми проч­но­стью, твёр­до­стью и уп­ру­го­стью. Со­от­но­ше­ние этих свойств мож­но ре­гу­ли­ро­вать с по­мо­щью ме­ха­нич. и тер­мич. об­ра­бот­ки М., а в спла­вах – из­ме­не­ни­ем кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов. Уп­ру­гая де­фор­ма­ция М. и их спла­вов на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,011%, пла­сти­че­ская – мно­го боль­ше и при ком­нат­ной темп-ре мо­жет дос­ти­гать 10100%.

Со­про­тив­ле­ние изо­троп­но­го по­ли­кри­стал­лич. M. воз­дей­ст­вию внеш­них ме­ха­нич. сил опи­сы­ва­ют в за­ви­си­мо­сти от ти­па де­фор­ма­ции (рас­тя­же­ние, сдвиг, объ­ём­ное сжа­тие) разл. мо­ду­ля­ми уп­ру­го­сти (мо­ду­ля­ми Юн­га $E$, сдви­га $G$ и объ­ёмно­го сжа­тия $K$ со­от­вет­ст­вен­но), ме­ж­ду ко­то­ры­ми су­ще­ст­ву­ет ли­ней­ная связь че­рез ко­эф. Пу­ас­со­на $ν$: $E=3K(1-2ν)$; $E=G[2(1+ν)]$. Для боль­шин­ст­ва М. $ν$ на­хо­дит­ся в пре­де­лах 0,22-0,46. Мо­ду­ли уп­ру­го­сти М. оп­ре­де­ля­ют­ся меж­атом­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми. В мо­но­кри­стал­ле мо­ду­ли уп­ру­го­сти за­ви­сят от на­прав­ле­ния, по­это­му они об­ра­зу­ют тен­зор. Ве­ли­чи­на мо­ду­ля сдви­га $G$ М. ле­жит в пре­де­лах от 0,39 ГПа ($\ce{Cs}$) до 224 ГПа ($\ce{Os}$), у же­ле­за $G=$ 84,1 ГПа. При уве­ли­че­нии темп-ры мо­ду­ли уп­ру­го­сти мо­но­тон­но убы­ва­ют; из­ме­не­ние мо­ду­ля уп­ру­го­сти в ин­тер­ва­ле от 0 К до темп-ры плав­ле­ния со­став­ля­ет ок. 50% от ис­ход­но­го зна­че­ния. В об­лас­ти уп­ру­го­го по­ве­де­ния в M. воз­мож­но про­яв­ле­ние внутр. тре­ния.

Пла­стич. де­фор­ма­ция M. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся от­но­сит. сдви­гом (сколь­же­ни­ем) па­рал­лель­ных атом­ных плос­ко­стей. Тео­ре­ти­че­ски со­про­тив­ле­ние M. пла­стич. де­фор­ма­ции и раз­ру­ше­нию со­став­ля­ет 10–1$G$ (од­но­вре­мен­ный раз­рыв всех свя­зей в плос­ко­сти сколь­же­ния). Экс­пе­ри­мен­таль­но пла­стич. де­фор­ма­ция и раз­ру­ше­ние на­блю­да­ют­ся при на­пря­же­ни­ях 10–410–2$G$. Это раз­ли­чие обу­слов­ле­но су­ще­ст­во­ва­ни­ем но­си­те­лей пла­стич. де­фор­ма­ции – дис­ло­ка­ций – ли­ний, вдоль ко­то­рых про­ис­хо­дит раз­рыв свя­зей. Дви­же­ние дис­ло­ка­ций вдоль оп­ре­де­лён­ных плос­ко­стей в кри­стал­ле обес­пе­чи­ва­ет сдвиг од­ной час­ти кри­стал­ла от­но­си­тель­но дру­гой. Проч­ность и пла­стич­ность M. обу­слов­ле­ны дви­же­ни­ем и взаи­мо­дей­стви­ем дис­ло­ка­ций ме­ж­ду со­бой и с др. де­фек­та­ми, при­ме­ся­ми и их ско­п­ле­ния­ми, гра­ни­ца­ми раз­де­ла фаз, вклю­че­ния­ми др. фаз.

Ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­сти­ки M. мож­но из­ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах тер­мич. и ме­ха­нич. об­ра­бот­кой, а так­же вве­де­ни­ем при­ме­сей (ле­ги­ро­ва­ни­ем). Напр., пре­дел проч­но­сти $\ce{Fe}$ (тех­нич. чис­то­ты) 0,35 ГПа, то­гда как вы­со­ко­проч­ные ле­ги­ро­ван­ные ста­ли (спла­вы $\ce{Fe}$ с др. М. и с $\ce{C}$) име­ют пре­дел проч­но­сти от 1,5 до 4,5 ГПа.

Применение металлов

В тех­ни­ке в осн. при­ме­ня­ют спла­вы М. Так, напр., из-за ма­лой проч­но­сти чис­тые M. не­при­год­ны в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для из­го­тов­ле­ния кон­ст­рук­ций, но мн. спла­вы M. об­ла­дают од­но­вре­мен­но вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­стью и вы­со­кой пла­стич­но­стью и на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в ка­че­ст­ве кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов. M. с низ­ким уров­нем внутр. тре­ния, сла­бо рас­сеи­ваю­щие энер­гию ко­ле­ба­ний, ис­поль­зу­ют при из­го­тов­ле­нии аку­стич. ре­зо­на­то­ров муз. ин­ст­ру­мен­тов. М. и их спла­вы ис­поль­зу­ют: в элек­тро­тех­ни­ке как в ка­че­ст­ве про­вод­ни­ков элек­трич. то­ка (медь, алю­ми­ний), так и в ка­че­ст­ве ма­те­риа­лов для ре­зи­сто­ров и элек­тро­на­гре­ват. эле­мен­тов (ни­хром и т. п.); в ин­ст­ру­мен­таль­ной тех­ни­ке для из­го­тов­ле­ния ра­бо­чей час­ти ин­ст­ру­мен­тов (в осн. это ин­ст­ру­мен­таль­ные ста­ли и твёр­дые спла­вы).

Лит.: Берн­штейн M. Л., Зай­мов­ский В. А. Ме­ха­ни­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов. 2-е изд. M., 1979; Штре­мель М. А. Проч­ность спла­вов. М., 1982–1997. Ч. 1–2; Зай­цев Б. Е. Об­щие фи­зи­че­ские и хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов. М., 1987; Ред­кие и рас­се­ян­ные эле­мен­ты: Хи­мия и тех­но­ло­гия / Под ред. С. С. Ко­ро­ви­на. М., 1996–2003. Т. 1–3; Грин­вуд Н., Эрн­шо А. Хи­мия эле­мен­тов. М., 2008. Т. 1–2; Аб­ри­ко­сов А. А. Ос­но­вы тео­рии ме­тал­лов. 2-е изд. M., 2009.

Вернуться к началу