Редактирование: Металл

:'''''Основной источник статьи:''' Большая российская энциклопедия''<ref name="БРЭ">[https://bigenc.ru/physics/text/2207891 Большая российская энциклопедия, статья "Металлы"]</ref>

'''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.

== Металлы как вещества ==

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)<sub>x</sub>. Металлическими свойствами обладают также некоторые химические соединения (например, кристаллы оксидов типа MoO<sub>2</sub>, WO<sub>2</sub>, халькогенидов NbSe<sub>2</sub>, TaS<sub>2</sub>), кристаллы, содержащие органические комплексы (см. [[Органические проводники]]), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (например, YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>) или со слоистой структурой (например, Bi<sub>2</sub>Sr<sub>2</sub>CaCu<sub>2</sub>O<sub>8</sub>), являющиеся [[высокотемпературные сверхпроводники|высокотемпературными сверхпроводниками]].

В природе металлы существуют в составе химических соединений – оксидов, сульфидов и др., образующих [[руда|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 [[марганец|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 [[Геродот]]а 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» – [[флогистон]]а. 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 [[платина|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. [[Менделеев]]ым на основе периодического закона. Открытие [[радиоактивность|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 [[Зонная теория|зонной теории]] твёрдых тел. Применение к электронам в металлах теории [[обменное взаимодействие|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 [[сверхпроводимость|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 [[бор]]а до [[астат]]а: металлы расположены слева от этой линии (к металлам относятся около 90 известных химических элементов, точнее – все элементы за исключением [[водород]]а, [[бор]]а, [[углерод]]а, [[кремний|кремния]], [[азот]]а, [[фосфор]]а, [[мышьяк]]а, [[кислород]]а, [[сера |серы]], [[селен]]а, [[теллур]]а, [[галогены|галогенов]] и [[благородные газы|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 [[водород]]а 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 MnO<sub>4</sub><sup>−</sup>, в т. ч. комплексных, например ацидокомплекс [Fe(CN)<sub>6</sub>]<sub>4</sub><sup>–</sup>. 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 [[литий|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 [[алюминий|алюминия]], [[титан]]а, [[хром]]а, которые устойчивы на воздухе, хотя и обладают высокой химической активностью. Крайне неустойчивы на воздухе щелочные металлы. С [[азот]]ом 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 [[металлирование|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 (Cr<sup>2+</sup>, Mn<sup>2+</sup>, Fe<sup>2+</sup>), проявляют восстановительные свойства; в высших степенях окисления те же металлы (Cr<sup>6+</sup>, Mn<sup>7+</sup>, Fe<sup>3+</sup>) 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 [[водород|H<sub>2</sub>]] (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<sup>+</sup> и поэтому растворяются при действии неокисляющих кислот ([[соляная кислота|HCl]] или разбавленной [[серная кислота|H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>]]), 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, [[рений|рения]], – анионные (ReO<sub>4</sub><sup>−</sup>). Некоторые металлы реагируют с разбавленными [[азотная кислота|HNO<sub>3</sub>]] и [[серная кислота|H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>]] с образованием катионных комплексов и пассивируются в концентрированных растворах этих кислот. Для растворения малоактивных металлов, например [[золото|золота]] или [[платина|платины]], используют смеси, содержащие окислитель и донор лигандов, необходимый для образования растворимых комплексов (например, смеси [[азотная кислота|HNO<sub>3</sub>]] с [[соляная кислота|HCl]] или [[азотная кислота|HNO<sub>3</sub>]] с [[фтороводород|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>n</math> в 1 см<sup>3</sup> (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>n=Z/V_0</math>, где <math>Z</math> – число валентных электронов, <math>V_0</math> – объём элементарной ячейки.

Многие свойства металлов можно объяснить, считая, что электроны проводимости – идеальный вырожденный газ [[фермион]]ов, 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>T_ \mathrm{F}</math> электронного газа порядка 10<sup>4</sup>–10<sup>5</sup> 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>U_ \boldsymbol{(r)}</math>, создаваемом ионами кристаллической решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение): <math>U( \boldsymbol r+a)=U_\boldsymbol{(r)}</math>, где <math>\boldsymbol r</math> – пространственная координата точки, <math>\boldsymbol a</math> – период решётки (см. [[Блоховские электроны]]).

Периодичность <math>U_{\boldsymbol {(r)}}</math> позволяет характеризовать стационарное состояние электрона проводимости квазиимпульсом <math>\boldsymbol p=\boldsymbol{ℏk}</math> (<math>\boldsymbol ℏ</math> – постоянная Планка, <math>\boldsymbol k</math> – квазиволновой вектор), аналогичным импульсу частицы в свободном пространстве. Волновая функция электрона в стационарном состоянии – решение [[Уравнение Шрёдингера|уравнения Шрёдингера]] для электрона, отвечающее собственному значению энергии электрона <math>\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>\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>\mathcal E_{мин}</math> и <math>\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.

[[Файл:Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в).jpg|мини|right|500px|Схема заполнения энергетических зон металла (а), полуметалла (б) и диэлектрика или полупроводника (в). Жирные линии ограничивают заполненные состояния ℰ<sub>(p)</sub>, тонкие – пустые состояния, штриховая линия – уровень Ферми ℰ<sub>F</sub> при температуре 0 К; p<sub>макс</sub> – 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>2N</math> электронов (<math>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>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>\mathcal E_F</math>) попадает в разрешённую зону. Соответствующая ей изоэнергетическая поверхность <math>\mathcal E({\bf p})=\mathcal E_F</math> (поверхность Ферми) отделяет область занятых электронами состояний от свободных в импульсном пространстве.

[[Файл:Поверхности Ферми вольфрама (а) и гадолиния (б).jpg|мини|right|300px|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>m_0</math>, например у натрия <math>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 (CeAl<sub>3</sub>, CeCu<sub>6</sub>, CeCu<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>, UB<sub>13</sub> 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>≫20Z^2</math>, где <math>Z</math> – атомный номер вещества. При таких плотностях большинство свойств вещества определяется вырожденным электронным газом.

=== Электрические свойства ===

При комнатной температуре удельная электрическая проводимость <math>σ</math> металлов порядка 10<sup>–8</sup>–10<sup>–6</sup>&nbsp;Ом<sup>–1</sup>•м<sup>–1</sup>; с понижением температуры она увеличивается. Характерное свойство металлов в нормальном (несверхпроводящем) состоянии – линейная зависимость между плотностью тока <math>j</math> и напряжённостью <math>E</math> приложенного электрического поля ([[закон Ома]]): <math>j=σE</math>.

Носители тока в металлах – [[электрон]]ы проводимости с энергией, близкой к <math>\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>l</math> – среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами:
<center><math>σ=nel/p_F</math>,</center>
где <math>n</math> – концентрация электронов проводимости (порядка 10<sup>22</sup>–10<sup>23</sup> см<sup>–3</sup>), <math>e</math> – заряд электрона, <math>p_F=2πℏ(3n/8π)^{1/3}</math> – так называемый граничный фермиевский импульс. При <math>T=300 К</math> длина свободного пробега <math>l</math> порядка 10<sup>–6</sup> см; с понижением <math>T</math> длина пробега растёт, достигая (для высококачественных монокристаллических образцов) 0,1–1 см. Соответственно возрастает электрическая проводимость <math>σ</math> и уменьшается удельное электрическое сопротивление <math>ρ=σ–1</math>. Отношение проводимости при <math>T=4,2 К</math> к проводимости при <math>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>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>ρ</math>. Исключение составляют [[сурьма]], [[галлий]], [[висмут]], электрическое сопротивление которых при плавлении уменьшается. При <math>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>C_p</math>) и электронным газом (электронная теплоёмкость <math>C_э</math>). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах велика и не зависит от температуры, <math>C_э</math> наблюдается у большинства металлов только при низких температурах (порядка нескольких <math>K</math>), так как электронный газ в металлах вырожден. При уменьшении температуры <math>C_p</math> убывает пропорционально <math>T^3</math>, а <math>C_э</math> – пропорционально <math>T</math>. Электроны проводимости вносят линейный по <math>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 [[закон Видемана – Франца|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 χ электронного газа слабо зависит от <math>T</math> (см. [[парамагнетизм Паули]]). При низких температурах и в сильных магнитных полях напряжённостью <math>H</math> парамагнитная восприимчивость <math>χ</math> металлических монокристаллов осциллирует как функция <math>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>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 [[спиновые волны|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 (Nb<sub>3</sub>Sn, NbTi и др.) магнитное поле в широком диапазоне напряжённостей <math>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>H</math>, что приводит к изменению кинетических коэффициентов (коэффициент электро- и теплопроводности, термоэлектрический коэффициент и др.) и к ряду новых явлений: [[эффект Холла|эффекту Холла]], [[магнитосопротивление|магнитосопротивлению]] и др. На зависимость кинетических коэффициентов от <math>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>H</math>) сопротивление (у [[висмут]]а) или практически полностью «выключить» поперечную электронную теплопроводность металла.

=== Эмиссия электронов ===

== Примечания ==
{{примечания}}
@@ Строка 1: / Строка 1: @@
-'''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.<ref name="БРЭ">[https://bigenc.ru/physics/text/2207891 ''Каганов M. И., Эдельман В. С. и др.'' МЕТАЛЛЫ // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2017) 22.12.2018]</ref>
+:'''''Основной источник статьи:''' Большая российская энциклопедия''<ref name="БРЭ">[https://bigenc.ru/physics/text/2207891 Большая российская энциклопедия, статья "Металлы"]</ref>
-Металл — один из [[Элементы|элементов]] в китайской философской концепции [[У-син|Пяти первоэлементов ''У-син'']] и в [[Китайская астрология|китайской астрологии]].
+'''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.
 == Металлы как вещества ==
-:'''''Основной источник раздела:''' Большая российская энциклопедия''<ref name="БРЭ"/>
 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)<sub>x</sub>. Металлическими свойствами обладают также некоторые химические соединения (например, кристаллы оксидов типа MoO<sub>2</sub>, WO<sub>2</sub>, халькогенидов NbSe<sub>2</sub>, TaS<sub>2</sub>), кристаллы, содержащие органические комплексы (см. [[Органические проводники]]), многокомпонентные материалы со структурой перовскита (например, YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub>) или со слоистой структурой (например, Bi<sub>2</sub>Sr<sub>2</sub>CaCu<sub>2</sub>O<sub>8</sub>), являющиеся [[высокотемпературные сверхпроводники|высокотемпературными сверхпроводниками]].
@@ Строка 89: / Строка 87: @@
 === 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>χ</math> электронного газа слабо зависит от <math>T</math> (см. [[парамагнетизм Паули]]). При низких температурах и в сильных магнитных полях напряжённостью <math>H</math> парамагнитная восприимчивость <math>χ</math> металлических монокристаллов осциллирует как функция <math>1/H</math> (эффект де Хааза – ван Альвена).
+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 χ электронного газа слабо зависит от <math>T</math> (см. [[парамагнетизм Паули]]). При низких температурах и в сильных магнитных полях напряжённостью <math>H</math> парамагнитная восприимчивость <math>χ</math> металлических монокристаллов осциллирует как функция <math>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>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 [[спиновые волны|спиновых волнах]].
@@ Строка 100: / Строка 98: @@
 === 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>ехр(–W/kT)</math>, где <math>W</math> – работа выхода электрона из металла, <math>k</math> – постоянная Больцмана. Величина <math>W</math> у различных металлов (и даже на разных кристаллических гранях одного металла) различна и составляет 2–5 эВ; <math>W</math> зависит от состояния поверхности. Различия в <math>W</math> обусловливают [[контактная разность потенциалов|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>ω</math> течёт по поверхности металла, проникая в него на глубину скин-слоя толщиной <math>δ=c\sqrt{2πσω}</math>, где <math>c</math> – скорость света (см. [[Высокочастотная проводимость]]); например, для [[медь|Cu]] <math>δ≈6·10^{–6}</math> м при <math>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>E</math>, сдвига <math>G</math> и объёмного сжатия <math>K</math> соответственно), между которыми существует линейная связь через коэффициент Пуассона <math>ν</math>: <math>E=3K(1−2ν)</math>; <math>E=G[2(1+ν)]</math>. Для большинства металлов <math>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>G</math> металла лежит в пределах от 0,39 ГПа ([[цезий]]) до 224 ГПа ([[осмий]]), у [[железо|железа]] <math>G=84,1</math> ГПа. При увеличении температуры модули упругости монотонно убывают; изменение модуля упругости в интервале от <math>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>10^{–1}G</math> (одновременный разрыв всех связей в плоскости скольжения). Экспериментально пластическая деформация и разрушение наблюдаются при напряжениях <math>10^{–4}–10^{–2}G</math>. Это различие обусловлено существованием носителей пластической деформации – [[дислокации|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 ([[легирование|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''<ref name="НАЭ">[https://encyclopedia.astrologer.ru/cgi-bin/guard/M/metall.html Новая астрологическая энциклопедия, статья "Металл".]</ref>
-:''Основная статья: [[У-син|'''У-син (пять первоэлементов)''']]''
-'''Металл''' в китайской астрологии — одна из [[У-син|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) [[суость|сухости]], в организме человека — с [[легкие|лёгкими]] и [[толстый кишечник|толстой кишкой]]. В цикле пяти стихий металл символизирует достигнутую прочность и падение активности. Металл связан с заботами и справедливостью; с [[нос]]ом, [[кожа|кожей]], [[волосы|волосами]] на [[тело|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 ==
 {{примечания}}
-{{ТКМ}}
-[[Категория:НАЭ]]
-[[Категория:Э]]
-[[Категория:Ревизия 2022.05.03‏‎]]