Мета́ллы (от греч. μεταλλεύω – выкапывать, добывать из земли), вещества, состоящие из атомов, легко отдающих электроны в процессе химических реакций, и обладающие характерными свойствами – высокими электро- и теплопроводностью, пластичностью, положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления, способностью хорошо отражать свет и т. д. К металлам относятся как собственно металлы (простые вещества), так и их сплавы и интерметаллические соединения (интерметаллиды), которые от обычных металлов отличаются более сложной кристаллической структурой. В металлическом состоянии могут находиться сильно легированные полупроводники, а также вещества, состоящие из атомов неметаллов, например полимерный кристалл $\text{(SN)}_x$. Металлическими свойствами обладают также некоторые химические соединения (например, кристаллы оксидов типа $\text{MoO}_2,$ $\text{WO}_2,$ халькогенидов $\text{NbSe}_2,$ $\text{TaS}_2),$ кристаллы, содержащие органические комплексы (органические проводники), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (например, $\text{YBa}_2\text{Cu}_3\text O_7$) или со слоистой структурой (например, $\text{Bi}_2\text{Sr}_2\text{CaCu}_2\text O_8$), являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками.

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

В обычных условиях металлы – твёрдые тела, имеющие кристаллическое строение (в парообразном состоянии – в основном одноатомные газы). Температуры плавления металлов выше 300 К (кроме ртути, её температура плавления –38,83 °C). Максимальную температуру плавления имеет вольфрам (около 3420 °C). При плавлении металлы сохраняют металлические свойства. Искусственно созданы аморфные твёрдые металлы (аморфные металлы, металлические стёкла).

Большинство простых металлов кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решётках. Среди других решёток – тетрагональная с 1–2 атомами в элементарной ячейке (например, $\text{In}$). Лишь небольшое число металлов имеет более сложное строение, например низкотемпературная модификация $\text{Mn},$ в элементарной ячейке которого 58 атомов. Многие металлы, в зависимости от температуры и давления, могут существовать в различных кристаллических модификациях. Некоторые вещества, в зависимости от кристаллической структуры, могут быть металлами, диэлектриками, полупроводниками или полуметаллами, например $\text{Sn}$ (белое олово с тетрагональной структурой – металл, серое олово с кубической структурой алмаза – полупроводник), $\text С$ (графит – полуметалл, алмаз – диэлектрик).

Металлы 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 «металлы» произошёл от греческого 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 металлов: золото, серебро, железо, ртуть, олово, медь, свинец. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием «лучей» планет и постепенно совершенствовались, превращаясь в золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой неблагородные металлы состоят из золы («окалины») и «начала горючести» – флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 металлов ($\text{Au},$ $\text{Ag},$ $\text{Cu},$ $\text{Sn},$ $\text{Fe},$ $\text{Pb}$) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 в. А. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона. В руководстве по химии (1789) он дал список простых веществ, 17 из которых отнёс к металлам ($\text{Sb},$ $\text{Ag},$ $\text{As},$ $\text{Bi},$ $\text{Со},$ $\text{Cu},$ $\text{Sn},$ $\text{Fe},$ $\text{Mn},$ $\text{Hg},$ $\text{Mo},$ $\text{Ni},$ $\text{Au},$ $\text{Pt},$ $\text{Pb},$ $\text{W},$ $\text{Zn}$). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й половине 19 в. были открыты спутники $\text{Pt},$ получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, при химическом анализе минералов открыты неизвестные ранее металлы. В 1860–1863 гг. методом спектрального анализа открыты $\text{Cs},$ $\text{Rb},$ $\text{Tl},$ $\text{In}.$ В конце 19 – начале 20 вв. подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов. Начиная с 1930–1940-х гг. методом ядерных превращений искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.

Широкое использование металлов привело к тому, что их основные физические свойства были изучены ещё в 19 в. Микроскопическая теория металлов начала развиваться в 20 в. В 1900 г. П. Друде предложил модель металлов, в которой электропроводность осуществлялась потоком электронного газа, заполнявшего промежутки между атомами. Х. А. Лоренц развил идею Друде, применив к электронному газу кинетическую теорию газов. Однако построенная на применении законов классической механики и статистики теория Друде – Лоренца не могла объяснить некоторые экспериментальные факты. В 1927–1928 гг. В. Паули и А. Зоммерфельд устранили ряд недостатков теории Друде, предположив, что основная часть электронного газа в металлах при обычных температурах находится в вырожденном состоянии; эти работы легли в основу современной электронной теории металлов.

В 1929–1930 гг. Ф. Блох и Л. Бриллюэн рассмотрели влияние периодического поля кристаллической решётки на электронный газ, что привело к созданию зонной теории твёрдых тел. Применение к электронам в металлах теории обменного взаимодействия (В. Гейзенберг, П. Дирак, 1928) позволило понять природу ферромагнетизма и обнаружить новые магнитоупорядоченные состояния металлов – антиферромагнетизм (Л. Неель, 1932) и ферримагнетизм. В 1911 г. 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. Р. Шриффер, 1956). Изучение нормальных, сверхпроводящих и магнитоупорядоченных металлов – три основных направления современной микроскопической теории металлов.

Химические свойства и методы получения

В длинной форме периодической системы химических элементов граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проводится по диагонали от $\text B$ до $\text{At:}$ металлы расположены слева от этой линии (к металлам относятся около 90 известных химических элементов, точнее – все элементы, за исключением $\text H,$ $\text B,$ $\text C,$ $\text{Si},$ $\text N,$ $\text P,$ $\text{As},$ $\text O,$ $\text S,$ $\text{Se},$ $\text{Te},$ галогенов и благородных газов). По строению атома металлы подразделяются на непереходные и переходные; среди непереходных металлов выделяют щелочные и щёлочноземельные, среди переходных – $d\text-$ и $f\text-$металлы, а также редкоземельные, платиновые, трансурановые и другие металлы.

Для атомов металлов характерны более низкие значения энергии ионизации, чем для атомов неметаллов. В изменении значений энергии ионизации атомов металлов при увеличении их порядкового номера явно выражена периодичность: в общем, при увеличении порядкового номера в пределах отдельного периода энергии ионизации металлов возрастают, при увеличении порядкового номера в пределах отдельной группы – убывают; отклонения от этой тенденции обусловлены строением электронных оболочек атомов.

Слабой связью валентных электронов с ядром атома объясняются многие свойства металлов, проявляющиеся в химических процессах: образование положительно заряженных ионов (катионов), образование осно́вных оксидов и гидроксидов с осно́вными свойствами (оснований), замещение водорода в кислотах и т. д. В химических реакциях металлы выступают как доноры электронов (восстановители); в кристаллах химических соединений с другими элементами, а также в водных растворах соединений образуют в основном элементарные катионы (в растворах – аквакатионы). Металлы могут входить в состав сложных анионов, например перманганат-анион $\text{MnO}^−_4$, в том числе комплексных, например ацидокомплекс $[\text{Fe(CN)}_6]^{4–}.$ В сложных ионах и полярных молекулах атомы металлов являются центрами положительного заряда. Способность образовывать отрицательно заряженные элементарные ионы для металлов нехарактерна (тем не менее формально отрицательные степени окисления металлов встречаются в целом ряде комплексных соединений).

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

Металлы, имеющие переменную валентность (например, $\text{Cr},$ $\text{Mn},$ $\text{Fe}$), в соединениях, отвечающих низшим степеням окисления ($\text{Cr2}^+,$ $\text{Mn}^{2+},$ $\text{Fe}^{2+}$), проявляют восстановительные свойства; в высших степенях окисления те же металлы ($\text{Cr}^{6+},$ $\text{Mn}^{7+},$ $\text{Fe}^{3+}$) обнаруживают окислительные свойства. Для водных растворов и растворов электролитов окислительно-восстановительные свойства металлов выражают с помощью электрохимического ряда напряжений (электродный потенциал). Металлы, для которых стандартные электродные потенциалы меньше, чем –0,413 В, окисляются водой с выделением $\text H_2$ (щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют с водой при комнатной температуре; такие металлы, как $\text{Zn}$ или $\text{Fe},$ реагируют с водяным паром при высоких температурах). С растворами щелочей взаимодействуют металлы, образующие растворимые анионные гидроксокомплексы ($\text{Be},$ $\text{Zn},$ $\text{Al},$ $\text{Ga},$ $\text{Sn}$). Большинство металлов окисляются теми или иными кислотами. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами $\text H^+$и поэтому растворяются при действии неокисляющих кислот ($\text{HCl}$ или разбавленной $\text H_2\text{SO}_4$), но только если не образуются нерастворимые продукты; реакции способствует образование анионных комплексов. Азотная кислота, даже разбавленная, окисляет многие металлы. При этом, если ионы металла устойчивы в низших степенях окисления, образуются катионные комплексы, если в высших, как в случае, например, $\text{Re},$ – анионные ($\text{ReO}^−_4$). Некоторые металлы реагируют с разбавленными $\text{HNO}_3$ и $\text H_2\text{SO}_4$ с образованием катионных комплексов и пассивируются в концентрированных растворах этих кислот. Для растворения малоактивных металлов, например $\text{Au}$ или $\text{Pt},$ используют смеси, содержащие окислитель и донор лигандов, необходимые для образования растворимых комплексов (например, смеси $\text{HNO}_3$ с $\text{HCl}$ или $\text{HNO}_3$ с $\text{HF}$).

Важная характеристика металлов – их способность образовывать осно́вные оксиды и соответствующие гидроксиды, а также соли – продукты замещения в кислотах протона на ион металлов. На примере гидроксидов металлов можно проследить закономерности изменения свойств соединений в зависимости от изменения металлического характера элемента; в частности, наиболее типичные металлы – щелочные – образуют наиболее сильные основания. Взаимодействие металлов с окружающей средой, может привести к их разрушению, коррозии.

Для получения металлов практическое значение имеют несколько основных методов: восстановление оксидов металлов углеродом или водородом; восстановление оксидов металлов другими металлами (металлотермия); восстановление галогенидов или сульфидов металлов водородом или металлами; термическое разложение подходящих соединений металлов (например, карбонилов); электрохимические методы. Поскольку достижению требуемых эксплуатационных характеристик мешает присутствие в металлах примесей, используются различные методы очистки металлов (зонная плавка, экстракционные методы и т. д.).

Строение и свойства материалов на основе металлов (металлических сплавов) изучает металловедение. Основные задачи металловедения – создание металлических материалов с заданными свойствами и технологий их получения. Требования металловедения к структуре и чистоте сплавов определяют пути развития современной металлургии.

Металлическое состояние

Mеталлы можно представить как вещества, состоящие из положительных 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). Электроны проводимости определяют электрические, магнитные, оптические свойства металлов, а также их теплопроводность, а при низких температуpax – теплоёмкость. Значительна роль электронов в сжимаемости металлов и других механических свойствах; их наличие делает металлы пластичными. Изменение электронного спектра иногда служит причиной фазовых переходов в металлах, при которых изменение кристаллической структуры носит вторичный характер (например, переход из нормального состояния металлов в сверхпроводящее или из парамагнитного в ферро- или антиферромагнитное).

Важнейшая характеристика металлического 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 химическим свойствам атомов, из которых состоит кристалл, и по его геометрической структуре определить $n=Z/V_0,$ где $Z$ – число валентных электронов, $V_0$ – объём элементарной ячейки.

Mногие свойства металлов 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). В этой модели температура вырождения $T_F$ электронного газа порядка 10⁴–10⁵ К, т. е. практически при любой температуре существования металла электронный газ в нём вырожден.

Более полное объяснение свойств металлов даёт зонная теория твёрдого тела, которая рассматривает движение отдельного электрона в периодическом поле с потенциалом $U(\boldsymbol r),$ создаваемом ионами кристаллической решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение): $U(\boldsymbol r+a)=U(\boldsymbol r),$ где $\boldsymbol r$ – пространственная координата точки, $a$ – период решётки.

Периодичность $U(\boldsymbol r)$ позволяет характеризовать стационарное состояние электрона проводимости квазиимпульсом $\bf p=\hbar \boldsymbol k$ ($\hbar$ – постоянная Планка, $\boldsymbol k$ – квазиволновой вектор), аналогичным импульсу частицы в свободном пространстве. Волновая функция электрона в стационарном состоянии – решение уравнения Шрёдингера для электрона, отвечающее собственному значению энергии электрона $ℰ_s$. Волновая функция и собственное значение энергии (в отличие от случая свободного электрона) – периодические 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 энергетической зоне состояния электронов заполняют полосу между $ℰ_{мин}$ и $ℰ_{макс}$. Зоны могут перекрываться, но их индивидуальность при этом сохраняется. С помощью законов дисперсии можно рассчитать плотность электронных состояний в энергетической зоне.

Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла, полуметалла и диэлектрика или полупроводника.Рис. 1. Схема заполнения энергетических зон металла, полуметалла и диэлектрика или полупроводника.Зонный характер спектра и принцип Паули позволяют сформулировать принципиальное отличие металла от диэлектрика. Tак как в каждую зону может «поместиться» не более $2N$ 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 основном 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 металлом (рис. 1, б соответствует полуметаллу), во втором – диэлектриком (или полупроводником).

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

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

Некоторые свойства металлов (главным образом в сильном магнитном поле) очень чувствительны к форме поверхности Ферми (эффект Де Хааза – ван Альвена, эффект Шубникова – де Хааза), что позволило экспериментально определить поверхность Ферми многих металлов и интерметаллических соединений.

Методы зонной теории позволили определить законы дисперсии, выяснить происхождение отдельных характерных деталей электронного спектра металлов. При всей сложности законов дисперсии представление об электронах металлов как лёгких (по сравнению с ионами) заряженных частицах является правильным на качественном уровне и позволяет в рамках модели Друде – Лоренца – Зоммерфельда оценить порядок величин основных характеристик металлов – электронной теплоёмкости, электро- и теплопроводности, толщины скин-слоя и т. п. У некоторых соединений ($\text{CeAl}_3,$ $\text{CeCu}_6,$ $\text{CeCu}_2\text{Si}_2,$ $\text{UB}_{13}$ и др.) обнаружены необычные свойства (например, 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 металл. 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 температуре удельная электрическая проводимость $\sigma$ металлов порядка 10^–8–10^–6 Ом^–1·м^–1; с понижением температуры она увеличивается. Характерное свойство металлов в нормальном (несверхпроводящем) состоянии – линейная зависимость между плотностью тока $j$ и напряжённостью $E$ приложенного электрического поля (закон Ома): $j= \sigma E.$

Носители тока в металлах – электроны проводимости с энергией, близкой к $ℰ_F.$ Причина электрического сопротивления – рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллической решётки: тепловых колебаниях ионов (фононах), самих электронах, а также различных дефектах – примесных атомах, вакансиях, дислокациях, границах кристаллов и образца. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега $l$ – среднее 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 монокристаллических образцов) 0,1–1 см. Соответственно возрастает электрическая проводимость $\sigma$ и уменьшается удельное электрическое сопротивление $ρ=σ^{–1}.$ Отношение проводимости при $T=4,2$ К к проводимости при $T=300$ К характеризует совершенство и химическую чистоту металлов.

Сопротивление сплавов значительно выше сопротивления чистых металлов. Причина этого в нарушении идеальности кристаллической решётки (различные атомы в узлах решётки) и наличии дефектов. В веществах с бо́льшим $\rho$ возникает локализация электронных состояний – проводимость исчезает (андерсоновская локализация).

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

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

Тепловые свойства

Теплоёмкость металлов обусловлена ионным остовом (решёточная теплоёмкость $C_p$) и электронным газом (электронная теплоёмкость $C_э$). Хотя концентрация электронов проводимости в металле велика и не зависит от температуры, $C_э$ наблюдается у большинства металлов только при низких температурах (порядка нескольких K), т. к. электронный газ в металлах вырожден. При уменьшении температуры $C_p$ убывает пропорционально $T^3,$ а $C_э$ – пропорционально $T.$ Электроны проводимости вносят линейный по $T$ вклад и в коэффициент теплового расширения металлов.

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

При наличии градиента температуры в металлах возникает электрический ток или разность потенциалов (термоэдс). Из-за вырождения электронного газа коэффициенты, описывающие термоэдс и другие термоэлектрические эффекты, малы, однако их исследование позволяет обнаружить увлечение электронов тепловыми фононами. Взаимодействие возбуждённых в металлах акустических волн с электронами проводимости приводит к возникновению электрического тока либо разности потенциалов, пропорциональной интенсивности потока фононов (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. В магнитную восприимчивость металлов вносят вклад и ионы: у непереходных металлов ионы диамагнитны, у переходных, как правило, парамагнитны. Из-за вырождения электронного газа парамагнитная восприимчивость $\chi$ электронного газа слабо зависит от $T$ (парамагнетизм Паули). При низких температурах и в сильных магнитных полях напряжённостью $H$ парамагнитная восприимчивость $\chi$ металлических монокристаллов осциллирует как функция $1/H$ (эффект де Хааза – ван Альвена).

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

Переход металлов в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его магнитных свойств: в сверхпроводящем состоянии в слабых полях металл проявляет себя как диамагнетик, в котором магнитное поле равно нулю из-за экранирования внешнего магнитного поля незатухающими вихревыми токами (эффект Мейснера). В сверхпроводниках 1-го рода ($\text{Sn},$ $\text{Pb},$ $\text{In}$ и др.) это выполняется вплоть до полей, разрушающих сверхпроводимость. В сверхпроводниках 2-го рода ($\text{Nb}_3\text{Sn},$ $\text{NbTi}$ и др.) магнитное поле в широком диапазоне напряжённостей $H,$ не разрушая сверхпроводимость, проникает в объём металлов в виде вихрей, что ослабляет диамагнетизм.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления

Если металлический образец, по которому течёт электрический ток, поместить в постоянное магнитное поле, то в нём возникают явления, обусловленные искривлением траекторий электронов в плоскости, перпендикулярной $\text{\bf H}$, что приводит к изменению кинетических коэффициентов (коэффициент электро- и теплопроводности, термоэлектрический коэффициент и др.) и к ряду новых явлений: эффекту Холла, магнитосопротивлению и др. На зависимость кинетических коэффициентов от $\text{\bf H}$ влияют особенности электронного энергетического спектра металлов, в частности топология поверхности Ферми (гальваномагнитные явления, термогальваномагнитные явления). Даже не слишком сильное магнитное поле при низких температурах (порядка 1 К) может изменить кинетические свойства металла, например в десятки тысяч раз увеличить поперечное (относительно направления $\text{\bf H}$) сопротивление (у $\text{Bi}$) или практически полностью «выключить» поперечную электронную теплопроводность металла.

Эмиссия электронов

При нагревании металлов до высоких температур наблюдается эмиссия («испарение») электронов с поверхности металлов. Число электронов, вылетающих из металлов в единицу времени, пропорционально $\exp (–W/kT),$ где $W$ – работа выхода электрона из металла, $k$ – постоянная Больцмана. Величина $W$ у различных металлов (и даже на разных кристаллических гранях одного металла) различна и составляет 2–5 эВ; $W$ зависит от состояния поверхности. Различия в $W$ обусловливают контактную разность потенциалов между различными металлами. Эмиссия электронов с поверхности металла происходит также в сильных электрических полях (напряжённостью порядка 10⁷ В/см) в результате туннельного прохождения электронов через сниженный полем потенциальный барьер (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 металлов электронами – вторичная электронная эмиссия или ионами – ионно-электронная эмиссия, при взаимодействии поверхности металла с плазмой – взрывная электронная эмиссия.

Металлы в электромагнитных полях

Переменный электрический ток частоты $\omega$ течёт по поверхности металла, проникая в него на глубину скин-слоя толщиной $δ=c\sqrt{2π \sigma\omega},$ где $c$ – скорость света (высокочастотная проводимость); например, для $\text{Cu}\delta ≈6·10^{–6}$ м при $\omega =6·10^{–8}$ Гц. При падении электромагнитной волны на поверхность металла часть электромагнитной энергии поглощается в скин-слое, а другая часть переизлучается электронами и отражается от поверхности металла. Коэффициент отражения (для $\text{Cu}≈2·10^{–5}$).

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

Металл, помещённый в достаточно сильное магнитное поле при низкой температуре, обладает многими свойствами, характерными для плазмы твёрдых тел: в нём могут распространяться разнообразные слабозатухающие волны (геликоны, магнитоплазменные волны, доплероны и др.).

Оптические свойства

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

Отражение плоскополяризованного света от поверхности металлов сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптической поляризации. Это явление используется для технических целей и для определения оптических констант металлов в металлооптике.

Механические свойства

Для металлов характерно сочетание высоких пластичности и вязкости со значительными прочностью, твёрдостью и упругостью. Соотношение этих свойств можно регулировать с помощью механической и термической обработки металлов, а в сплавах – изменением концентрации компонентов. Упругая деформация металлов и их сплавов находится в пределах 0,01–1 %, пластическая – много больше и при комнатной температуре может достигать 10–100 %.

Сопротивление изотропного поликристаллического металла воздействию внешних механических сил описывают в зависимости от типа деформации (растяжение, сдвиг, объёмное сжатие) различными модулями упругости (модулями Юнга $E,$ сдвига $G$ и объёмного сжатия $K$ соответственно), между которыми существует линейная связь через коэффициент Пуассона $\nu\text:$ $E=3K(1−2 \nu );$ $E=G[2(1+ \nu )].$ Для большинства металлов $\nu$ находится в пределах 0,22–0,46. Модули упругости металла определяются межатомными взаимодействиями. В монокристалле модули упругости зависят от направления, поэтому они образуют тензор. Величина модуля сдвига $G$ металла лежит в пределах от 0,39 ГПа $(\text{Cs})$ до 224 ГПа $(\text{Os}),$ у железа $G= 84,1$ ГПа. При увеличении температуры модули упругости монотонно убывают; изменение модуля упругости в интервале от 0 К до температуры плавления составляет около 50 % от исходного значения. В области упругого поведения в металлах возможно проявление внутреннего трения.

Пластическая деформация металлов осуществляется относительным сдвигом (скольжением) параллельных атомных плоскостей. Теоретически сопротивление металла пластической деформации и разрушению составляет $10^{–1}G$ (одновременный разрыв всех связей в плоскости скольжения). Экспериментально пластическая деформация и разрушение наблюдаются при напряжениях $10^{–4}–10^{–2}G.$ Это различие обусловлено существованием носителей пластической 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 металлов обусловлены движением и взаимодействием дислокаций между собой и с другими дефектами, примесями и их скоплениями, границами раздела фаз, включениями других фаз.

Механические характеристики металлов можно изменять в широких пределах термической и механической обработкой, а также введением примесей (легированием). Например, предел прочности $\text{Fe}$ (технической чистоты) 0,35 ГПа, тогда как высокопрочные легированные стали (сплавы $\text{Fe}$ с другими металлами и с $\text{C}$) имеют предел прочности от 1,5 до 4,5 ГПа.

Применение металлов

В технике в основном применяют сплавы металлов. Так, например, из-за малой прочности чистые металлы непригодны в качестве материалов для изготовления конструкций, но многие сплавы металлов обладают одновременно высокой механической прочностью и высокой пластичностью и находят широкое применение в качестве конструкционных материалов. Материалы с низким уровнем внутреннего трения, слабо рассеивающие энергию колебаний, используют при изготовлении акустических резонаторов музыкальных инструментов. Металлы и их сплавы используют: в электротехнике как в качестве проводников электрического тока (медь, алюминий), так и в качестве материалов для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.); в инструментальной технике для изготовления рабочей части инструментов (в основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы).