Металл

МЕТА́ЛЛЫ ─ 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.

Металл — один из элементов в китайской философской концепции Пяти первоэлементов У-син и в китайской астрологии.

Металлы как вещества

Основной источник раздела: Большая российская энциклопедия

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, напр. полимерный кристалл (SN)_x. Металлическими свойствами обладают также некоторые химические соединения (например, кристаллы оксидов типа MoO₂, WO₂, халькогенидов NbSe₂, TaS₂), кристаллы, содержащие органические комплексы (см. Органические проводники), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (например, YBa₂Cu₃O₇) или со слоистой структурой (например, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈), являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками.

В природе металлы существуют в составе химических соединений – оксидов, сульфидов и др., образующих руды; золото, серебро, платина, медь 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 (см. Жидкие металлы). Искусственно созданы аморфные твёрдые металлы (см. Аморфные металлы, Стекло металлическое).

Большинство простых металлов кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решётках (см. Металлические кристаллы). Среди других решёток – тетрагональная с 1–2 атомами в элементарной ячейке (напр., индий). Лишь небольшое число металлов имеют более сложное строение, например низкотемпературная модификация марганца, 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 олово (белое олово с тетрагональной структурой – металл, серое олово с кубической структурой алмаза – полупроводник), углерод (графит – полуметалл, алмаз – диэлектрик) (см. Полиморфизм).

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 «металл» 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 (см. Алхимия). Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 века получила распространение гипотеза, согласно которой неблагородные металлы состоят из золы («окалины») и «начала горючести» – флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 металлов (золото, серебро, медь, олово, железо, свинец) и определял меьаллы как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 века А. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона. В руководстве по химии (1789) он дал список простых веществ, 17 из которых отнёс к металлам (сурьма, серебро, мышьяк, висмут, углерод, медь, олово, железо, марганец, ртуть, молибден, никель, золото, платина, свинец, вольфрам, цинк). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й половине 19 века были открыты спутники платины, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, при химическом анализе минералов открыты неизвестные ранее металлы. В 1860–63 методом спектрального анализа открыты цезий, рубидий, таллий, индий. В конце 19 – начале 20 веков подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 века 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 веке. Микроскопическая теория металлов начала развиваться в 20 веке. В 1900 П. Друде предложил модель металла, в которой электропроводность осуществляется потоком электронного газа, заполняющего промежутки между атомами. Х. 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 1927–28 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 1929–30 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 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 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 бора до астата: металлы расположены слева от этой линии (к металлам относятся около 90 известных химических элементов, точнее – все элементы за исключением водорода, бора, углерода, кремния, азота, фосфора, мышьяка, кислорода, серы, селена, теллура, галогенов и благородных газов). По строению атома металлы подразделяются на непереходные и переходные; среди непереходных металлов выделяют щелочные и щёлочноземельные, среди переходных – d- и f-металлы, а также редкоземельные, платиновые, трансурановые и др. металлы (см. в статье Химические элементы).

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 (подробнее см. в статье Периодическая система химических элементов).

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 MnO₄⁻, в т. ч. комплексных, например ацидокомплекс [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 лития) 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 алюминия, титана, хрома, которые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой химической активностью. Крайне неустойчивы на воздухе щелочные металлы. С азотом ряд металлов (например, литий) реагируют при комнатной температуре, другие металлы (например, магний, цирконий, гафний, титан) – 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, хром, марганец, железо), в соединениях, отвечающих низшим степеням окисления (Cr²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺), проявляют восстановительные свойства; в высших степенях окисления те же металлы (Cr⁶⁺, Mn⁷⁺, Fe³⁺) обнаруживают окислительные свойства. Для водных растворов и растворов электролитов окислительно-восстановительные свойства металлов выражают с помощью электрохимического ряда напряжений (см. в статье Электродный потенциал). Металлы, для которых стандартные электродные потенциалы меньше, чем –0,413 В, окисляются водой с выделением H₂ (щелочные и щёлочноземельные металлы реагируют с водой при комнатной температуре; такие металлы, как цинк или железы, реагируют с водяным паром при высоких температурах). С растворами щелочей взаимодействуют металлы, образующие растворимые анионные гидроксокомплексы (бериллий, цинк, алюминий, галлий, олово). Большинство металлов окисляются теми или иными кислотами. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, окисляются ионами H⁺ и поэтому растворяются при действии неокисляющих кислот (HCl или разбавленной H₂SO₄), но только если не образуются нерастворимые продукты; реакции способствует образование анионных комплексов. Азотная кислота, даже разбавленная, окисляет многие металлы. При этом, если ионы металлов устойчивы в низших степенях окисления, образуются катионные комплексы, если в высших, как в случае, например, рения, – анионные (ReO₄⁻). Некоторые металлы реагируют с разбавленными HNO₃ и H₂SO₄ с образованием катионных комплексов и пассивируются в концентрированных растворах этих кислот. Для растворения малоактивных металлов, например золота или платины, используют смеси, содержащие окислитель и донор лигандов, необходимый для образования растворимых комплексов (например, смеси HNO₃ с HCl или HNO₃ с HF).

Важная характеристика металлов – их способность образовывать осно́вные оксиды и соответствующие гидроксиды, а также соли – продукты замещения в кислотах протона на ион металла. 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 (см. в статье Щёлочи). О взаимодействии металлов со средой, ведущей к их разрушению, см. в статье Коррозия.

Для получения металлов практическое значение имеют несколько основных методов: восстановление оксидов металлов углеродом или водородом; восстановление оксидов металлов другими металлом (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.).

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

Металлическое состояние

Металлы 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, см. в статье Химическая связь). Электроны проводимости определяют электрические, магнитные, оптические свойства металлов, а также их теплопроводность, а при низких температурах – 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 [math]\displaystyle{ n }[/math] 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 [math]\displaystyle{ n=Z/V_0 }[/math], где [math]\displaystyle{ Z }[/math] – число валентных электронов, [math]\displaystyle{ V_0 }[/math] – объём элементарной ячейки.

Многие 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; см. Теория Друде, Теория Зоммерфельда). В этой модели температура вырождения [math]\displaystyle{ T_ \mathrm{F} }[/math] электронного газа порядка 10⁴–10⁵ К, то есть практически при любой температуре существования металлов электронный газ в нём вырожден (см. Вырожденный газ).

Более полное объяснение свойств металлов даёт зонная теория твёрдого тела, которая рассматривает движение отдельных электрона в периодическом поле с потенциалом [math]\displaystyle{ U_ \boldsymbol{(r)} }[/math], создаваемом ионами кристаллической решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение): [math]\displaystyle{ U( \boldsymbol r+a)=U_\boldsymbol{(r)} }[/math], где [math]\displaystyle{ \boldsymbol r }[/math] – пространственная координата точки, [math]\displaystyle{ \boldsymbol a }[/math] – период решётки (см. Блоховские электроны).

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

Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ_(p), тонкие – пустые состояния, штриховая линия – уровень Ферми ℰ_F при температуре 0 К; p_макс – максимальный квазиимпульс, соответствующий границе зоны Бриллюэна.

Зонный характер спектра и Паули принцип позволяют сформулировать принципиальное отличие металлов от диэлектрика. Tак как в каждую зону может «поместиться» не более [math]\displaystyle{ 2N }[/math] электронов ([math]\displaystyle{ N }[/math] – 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 [math]\displaystyle{ T=0 К }[/math]) имеются зоны, частично заполненные электронами (рис. а, б), либо есть только целиком заполненные зоны и пустые (рис. в). В первом случае кристалл является металлом (рис. б соответствует полуметаллу), во втором – диэлектриком (или полупроводником).

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

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

Поверхности Ферми щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) – почти идеальные сферы. Это не означает, что электроны этих металлов не испытывают влияния ионов. Их эффективные массы отличаются от массы свободного электрона [math]\displaystyle{ m_0 }[/math], например у натрия [math]\displaystyle{ m=1,24m_0 }[/math]. У всех металлов, кроме перечисленных, поверхности Ферми имеют сложную форму.

Некоторые свойства металлов (главным образом в сильном магнитном поле) очень чувствительны к форме поверхности Ферми (см. 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 (см. Скин-эффект) и т. п. У некоторых соединений (CeAl₃, CeCu₆, CeCu₂Si₂, UB₁₃ 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, то есть в своеобразный металл. Металлизация любого вещества происходит при плотности [math]\displaystyle{ ≫20Z^2 }[/math], где [math]\displaystyle{ Z }[/math] – атомный номер вещества. При таких плотностях большинство свойств вещества определяется вырожденным электронным газом.

Электрические свойства

При комнатной температуре удельная электрическая проводимость [math]\displaystyle{ σ }[/math] 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 [math]\displaystyle{ j }[/math] и напряжённостью [math]\displaystyle{ E }[/math] приложенного электрического поля (закон Ома): [math]\displaystyle{ j=σE }[/math].

Носители тока в металлах – электроны проводимости с энергией, близкой к [math]\displaystyle{ \mathcal E_F }[/math]. 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 (см. Рассеяние носителей заряда). Мерой рассеяния служит длина свободного пробега [math]\displaystyle{ l }[/math] – среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами:

[math]\displaystyle{ σ=nel/p_F }[/math],

где [math]\displaystyle{ n }[/math] – концентрация электронов проводимости (порядка 10²²–10²³ см^–3), [math]\displaystyle{ e }[/math] – заряд электрона, [math]\displaystyle{ p_F=2πℏ(3n/8π)^{1/3} }[/math] – так называемый граничный фермиевский импульс. При [math]\displaystyle{ T=300 К }[/math] длина свободного пробега [math]\displaystyle{ l }[/math] порядка 10^–6 см; с понижением [math]\displaystyle{ T }[/math] длина пробега растёт, достигая (для высококачественных монокристаллических образцов) 0,1–1 см. Соответственно возрастает электрическая проводимость [math]\displaystyle{ σ }[/math] и уменьшается удельное электрическое сопротивление [math]\displaystyle{ ρ=σ–1 }[/math]. Отношение проводимости при [math]\displaystyle{ T=4,2 К }[/math] к проводимости при [math]\displaystyle{ T=300 К }[/math] 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 большим [math]\displaystyle{ ρ }[/math] возникает локализация электронных состояний – проводимость исчезает (см. 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 [math]\displaystyle{ ρ }[/math]. Исключение составляют сурьма, галлий, висмут, электрическое сопротивление которых при плавлении уменьшается. При [math]\displaystyle{ T→0 К }[/math] у большинства металлов происходит исчезновение электрического сопротивления – они переходят в сверхпроводящее состояние.

Тепловые свойства

Теплоёмкость металлов обусловлена ионным остовом (решёточная теплоёмкость [math]\displaystyle{ C_p }[/math]) и электронным газом (электронная теплоёмкость [math]\displaystyle{ C_э }[/math]). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах велика и не зависит от температуры, [math]\displaystyle{ C_э }[/math] наблюдается у большинства металлов только при низких температурах (порядка нескольких [math]\displaystyle{ K }[/math]), так как электронный газ в металлах вырожден. При уменьшении температуры [math]\displaystyle{ C_p }[/math] убывает пропорционально [math]\displaystyle{ T^3 }[/math], а [math]\displaystyle{ C_э }[/math] – пропорционально [math]\displaystyle{ T }[/math]. Электроны проводимости вносят линейный по [math]\displaystyle{ T }[/math] 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 металле 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 металле акустических волн с электронами проводимости приводит к возникновению электрического 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 металлов вносят вклад и ионы: у непереходных металлов ионы диамагнитны, у переходных, как правило, парамагнитны. Из-за вырождения электронного газа парамагнитная восприимчивость [math]\displaystyle{ χ }[/math] электронного газа слабо зависит от [math]\displaystyle{ T }[/math] (см. парамагнетизм Паули). При низких температурах и в сильных магнитных полях напряжённостью [math]\displaystyle{ H }[/math] парамагнитная восприимчивость [math]\displaystyle{ χ }[/math] металлических монокристаллов осциллирует как функция [math]\displaystyle{ 1/H }[/math] (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, железо, кобальт, никель, гадолиний), антиферромагнитное (например, цезий, марганец) или в состояние с геликоидальной магнитной атомной структурой (например, хром). При этом электроны проводимости играют существенную роль в формировании магнитных структур (см. Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм). Большинство непереходных металлов остаются парамагнетиками или диамагнетиками вплоть до [math]\displaystyle{ T=0 К }[/math]. 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 (см. эффект Мейснера). В сверхпроводниках 1-го рода (олово, свинец, индий и др.) это выполняется вплоть до полей, разрушающих сверхпроводимость. В сверхпроводниках 2-го рода (Nb₃Sn, NbTi и др.) магнитное поле в широком диапазоне напряжённостей [math]\displaystyle{ H }[/math], не разрушая сверхпроводимость, проникает в объём металла 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 [math]\displaystyle{ H }[/math], 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 [math]\displaystyle{ H }[/math] влияют особенности электронного энергетического спектра металла, в частности топология поверхности Ферми (см. Гальваномагнитные явления, Термогальваномагнитные явления). Даже не слишком сильное магнитное поле при низких температурах (порядка 1К) может изменить кинетические свойства металла, например в десятки тысяч раз увеличить поперечное (относительно направления [math]\displaystyle{ H }[/math]) сопротивление (у висмута) или практически полностью «выключить» поперечную электронную теплопроводность металла.

Эмиссия электронов

При нагревании металлов до высоких температур наблюдается эмиссия («испарение») электронов с поверхности металла (см. Термоэлектронная эмиссия). Число электронов, вылетающих из металла в единицу времени, пропорционально [math]\displaystyle{ ехр(–W/kT) }[/math], где [math]\displaystyle{ W }[/math] – работа выхода электрона из металла, [math]\displaystyle{ k }[/math] – постоянная Больцмана. Величина [math]\displaystyle{ W }[/math] у различных металлов (и даже на разных кристаллических гранях одного металла) различна и составляет 2–5 эВ; [math]\displaystyle{ W }[/math] зависит от состояния поверхности. Различия в [math]\displaystyle{ W }[/math] 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 (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 металла 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 [math]\displaystyle{ ω }[/math] течёт по поверхности металла, проникая в него на глубину скин-слоя толщиной [math]\displaystyle{ δ=c\sqrt{2πσω} }[/math], где [math]\displaystyle{ c }[/math] – скорость света (см. Высокочастотная проводимость); например, для Cu [math]\displaystyle{ δ≈6·10^{–6} }[/math] м при [math]\displaystyle{ ω=6·10^{–8} }[/math] Гц. При падении электромагнитной волны на поверхность металда часть электромагнитной энергии поглощается в скин-слое, а другая часть переизлучается электронами и отражается от поверхности металла. Коэффициент отражения для 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 (см. Циклотронный резонанс). В некоторых металлах (например, щелочных) можно наблюдать электронный парамагнитный резонанс на электронах проводимости и спиновые волны.

Металлы, помещённый в достаточно сильное магнитное поле при низкой температуре, обладает многими 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 оптического диапазона металлы, как правило, непрозрачны. Характерный блеск – следствие практически полного отражения света поверхностью металла. При взаимодействии света с электронами проводимости металлов важную роль играет внутренний фотоэффект, то есть вынужденные (за счёт поглощения фотонов) переходы электронов из одной энергетической зоны в другую. Как правило, именно внутренний фотоэффект определяет коэффициент поглощения излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов и изменение проводимости металла под воздействием света (см. Фотопроводимость). Чем выше частота излучения, тем меньшую роль играют электроны проводимости во взаимодействии излучения с металлом: в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах оптические свойства металлов мало отличаются от свойств диэлектриков.

Отражение плоскополяризованного света от поверхности металла сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптической поляризации. Это явление используется для технических целей и для определения оптических констант металла. См. также Металлооптика.

Механические свойства

Для металлов характерно сочетание высокой пластичности и высокой 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 [math]\displaystyle{ E }[/math], сдвига [math]\displaystyle{ G }[/math] и объёмного сжатия [math]\displaystyle{ K }[/math] соответственно), между которыми существует линейная связь через коэффициент Пуассона [math]\displaystyle{ ν }[/math]: [math]\displaystyle{ E=3K(1−2ν) }[/math]; [math]\displaystyle{ E=G[2(1+ν)] }[/math]. Для большинства металлов [math]\displaystyle{ ν }[/math] находится в пределах 0,22-0,46. Модули упругости металлов определяются межатомными взаимодействиями. В монокристалле модули упругости зависят от направления, поэтому они образуют тензор. Величина модуля сдвига [math]\displaystyle{ G }[/math] металла лежит в пределах от 0,39 ГПа (цезий) до 224 ГПа (осмий), у железа [math]\displaystyle{ G=84,1 }[/math] ГПа. При увеличении температуры модули упругости монотонно убывают; изменение модуля упругости в интервале от [math]\displaystyle{ 0 К }[/math] до температуры плавления составляет около 50% от исходного значения. В области упругого поведения в металле возможно проявление внутреннего трения.

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

Механические характеристики металла можно изменять в широких пределах термической и механической обработкой, а также введением примесей (легированием). Например, предел прочности железа (технической чистоты) 0,35 ГПа, тогда как высокопрочные легированные стали (сплавы железа с другими металлами и с углеродом) 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. Металлы 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).

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Абрикосов А. А. Основы теории металлов. 2-е изд. M., 2009.
• Бернштейн M. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. 2-е изд. M., 1979.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М., 2008. Т. 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.
• Штремель М. А. Прочность сплавов. М., 1982–1997. Ч. 1–2.

Металл в китайской астрологии и китайской медицине

Источник раздела: Новая астрологическая энциклопедия

Основная статья: У-син (пять первоэлементов)

Металл в китайской астрологии — одна из пяти стихий (у син).

Металл связывается с планетой Венера, западом, осенью (30 августа - 11 ноября по григорианскому календарю), белым цветом, терпким вкусом и прогорклым запахом, числом 9, земными "ветвями" обезьяны (шэнь) и петуха (ю), 7-м и 8-м небесными "стволами" (гэн, синь; в том числе соотносится с годами, оканчивающимися на 0 и 1), с ци (энергией) сухости, в организме человека — с лёгкими и толстой кишкой. В цикле пяти стихий металл символизирует достигнутую прочность и падение активности. Металл связан с заботами и справедливостью; с носом, кожей, волосами на теле.

Старинные китайские источники гласят: когда правит стихия металл, император не должен разрешать взрывать скалы и рыть шахты, в противном случае его войска будут разбиты, воины погибнут, а он сам потеряет трон.

Металл связан с западной ци (энергией) сухости, "двигающей" сезон осени. Действие этой ци ощущается с 23 сентября по 3 декабря. Родившиеся под влиянием металла чувствуют своё призвание в служении истине и красоте. Главное для них — оставаться верными самим себе, не отрекаясь от своей натуры, обогащать повседневность произведениями искусства и культуры. Лучше исправлять жизненные условия окружающих, чем преследовать эгоистические цели.

Литература статьи Новой астрологической энциклопедии

• Александер Китайская астрология.
• Жэнь Инцю Базовая теория китайской медицины: Пять вращений, шесть энергий.
• Китайская философия.
• Элис Р. Китайская астрология.// О чём говорит год рождения. Восточные гороскопы.

Примечания

---

Традиционная китайская медицина История китайской медицины Инь и Ян • Пять первоэлементов У‐син : Огонь, Земля, Металл, Вода, Дерево Жизненные субстанции : Кровь • Жидкости тела Цзинь Е Энергия Ци : Механизм Ци • Юань Ци (изначальная) и Огонь Врат Жизни • Гу Ци (пищи) • Цзун Ци (смешанная) • Чжэнь Ци (истинная) • Ин Ци (питательная) • Вэй Ци (защитная) • Чжун Ци (центральная) • Чжэн Ци (опорная) • Се Ци (вредоносная) Эссенция Цзин : Пред‐Небесная • Пост‐Небесная • Эссенция Почек • Тянь Гуй Шэнь : Разум Шэнь • Эфирный Дух Хунь • Телесный Дух По • Интеллект И • Сила Воли Чжи Внутренние Органы : Органы Инь (плотные) : Сердце • Печень • Легкие • Селезенка • Почки • Перикард (орган и канал) Органы Ян (полые) : Желудок • Тонкий Кишечник • Толстый Кишечник • Желчный Пузырь • Мочевой Пузырь • Тройной Обогреватель (Верхний, Средний, Нижний) Шесть Необыкновенных Органов Ян (Четыре Моря): Матка • Головной мозг • Мозговое вещество • Кости • Кровеносные Сосуды • Желчный Пузырь Меридианы : Лёгких • Толстого Кишечника • Желудка • Селезёнки • Сердца • Тонкого Кишечника • Мочевого Пузыря • Почек • Перикарда • Тройного Обогревателя • Жёлчного Пузыря • Печени • Заднесрединный • Переднесрединный Болезнь : Внутренние причины (эмоции) : Гнев • Радость • Грусть • Тревога • Задумчивость • Страх • Шок Внешние причины : Климат (Ветер, Холод, Летний Жар, Сырость, Сухость, Огонь) Смешанные причины : Конституция • Перегрузки • Чрезмерная физическая работа • Секс • Диета • Недостаточная физическая активность • Травмы • Глистные инвазии • Яды • Неправильное лечение • Лекарственные препараты • Наркотики Диагностика : Осмотр • Опрос •
Пальпация : Пульсовая диагностика • Пальпация конечностей • Пальпация груди • Пальпация живота • Пальпация точек
Диагностика по звукам • Диагностика по запахам Патология : Патология Полных и Пустых состояний Иглоукалывание и прижигание чжэнь‐цзю

---