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), е— заряд эл-на, рF=2pћ(3n/8p)1/3— граничный 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=0°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 (T<-qD, qD— дебаевская темп-pa) r определяется ф-лой:

r=rост +AT2 + BT5, (3)

где А и В — величины, не зависящие от Т. Член ВТ5 связан с рассеянием эл-нов на тепловых колебаниях атомов, а член АТ2— со столкновениями эл-нов друг с другом. Ф-ла (3) явл. приближённой.

У нек-рых М. и металлидов при определ. темп-ре, наз. критической, наблюдается полное исчезновение сопротивления — переход в сверхпроводящее состояние (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). Критич. темп-ры чистых М. лежат в интервале от неск. сотых долей К до 9 К, у металлидов — выше, напр. у Nb3Ge критич. темп-ра 23,2 К.

Если металлич. образец, по к-рому течёт ток, поместить в пост. магн. поле, то в М. возникают явления, обусловленные искривлением траекторий эл-нов в магн. поле в промежутках между столкновениями (гальваномагнитные явления). Среди них важное место занимают Холла эффект и магпиторезистиеный эффект. В магн. полях =104—105 Э и более при низких темп-pax у всех металлич. монокристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магн. поля (Шубникова — де Хааза эффект).

При нагревании М. до высоких темп-р (напр., тугоплавких М. до =2000—2500°С) наблюдается «испарение» эл-нов с поверхности М. (термоэлектронная эмиссия). Эмиссия эл-нов с поверхности М. происходит также под действием сильных электрич. полей E=107 В/см в результате туннельного просачивания эл-нов через сниженный полем потенц. барьер (см. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ). Наблюдаются также явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад темп-ры вызывает в М. появление электрич. тока или термоэдс (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ).

Тепловые свойства.

Теплоёмкость М. обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация эл-нов проводимости в М. очень велика и не зависит от темп-ры, электронная теплоёмкость наблюдается у большинства М. только при низких темп-pax, порядка неск. К (т. к. электронный газ в М. вырожден, темп-pa вырождения =104—105 К). Величину Сэ измеряют, пользуясь тем, что при уменьшении темп-ры Ср убывает пропорц. Т3, а Сэ — пропорц. Т. Для Cu (одного моля) Cэ=0,9•10-4 RT, для Pd Сэ=1,6•10-3RT, где R — газовая постоянная. Эл-ны проводимости, обеспечивающие электропроводность, участвуют и в теплопроводности М. Между уд. электропроводностью и электронной частью теплопроводности существует простое соотношение, наз. Видемана — Франца законом.

Взаимодействие металлов с электромагнитными полями.

Перем. электрич. ток при достаточно высокой частоте течёт по поверхности М., не проникая в его толщу (см. СКИН-ЭФФЕКТ). Эл.-магн. поле частоты w проникает в М. лишь на глубину скин-слоя толщиной 8. Напр., для Cu при w=108 Гц d=6•10-4 см. В таком слое поглощается часть эл.-магн. энергии. Другая часть переизлучается эл-нами и отражается (см. МЕТАЛЛООПТИКА) (см.). В чистых М. при низких темп-рах обычно l>d. 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 f- и 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.