Металічний зв’язок
Металічний зв’язок — колективна когезія кристала, де валентні електрони делокалізовані по багатьох атомних центрах. Образ «моря електронів» корисний для інтуїції, але квантова теорія зон точніше пояснює провідність, оптику і різницю між металами та ізоляторами.
Делокалізація
Коли багато атомів утворюють кристал, їхні орбіталі перекриваються й формують велику кількість близьких за енергією станів. Електрони можуть описуватися хвильовими функціями, поширеними через значну частину кристала.
Енергетичні зони
Величезна кількість розщеплених рівнів утворює зони. Якщо зона частково заповнена або перекривається з доступною зоною, електрони можуть змінювати стан під дією малого електричного поля.
Електропровідність
Струм — не просто рух окремих «вільних кульок». Поле трохи зміщує заповнення квантових станів. Опір виникає через розсіяння на фононах, дефектах і домішках.
Пластичність
Металічний зв’язок відносно недирекційний. Дислокації можуть рухатися й дозволяти площинам ковзати без миттєвого руйнування всіх зв’язків. Це мікроскопічна основа пластичної деформації.
Оптична відповідь
Електрони провідності добре реагують на електромагнітні поля й відбивають багато частот. Конкретна зонна структура створює селективні поглинання і може давати характерний колір, як у Cu чи Au.
Температура
За вищої температури коливання ґратки посилюють розсіяння, тому опір багатьох металів зростає. За дуже низьких температур деякі матеріали переходять у надпровідний стан, який потребує окремої квантової теорії.
Сплави
Домішкові атоми змінюють ґратку, зонну структуру та рух дислокацій. Тому сплав може бути твердішим, менш провідним або корозійностійкішим за чистий метал.
Метал чи напівпровідник
Ключова різниця визначається доступністю станів біля рівня Фермі. У напівпровідника є мала щілина, яку температура або легування можуть ефективно подолати; у металу доступні стани вже є.
Рівень Фермі
За низької температури електрони заповнюють доступні стани до характерної енергії Фермі. Саме наявність незаповнених станів дуже близько до цього рівня дозволяє системі легко відповідати на електричне поле. Тому провідність визначається не всіма електронами однаково, а передусім вузькою енергетичною областю біля межі заповнення.
Чому домішки змінюють опір
Домішковий атом порушує періодичність потенціалу й розсіює електронні хвилі. Тому навіть невелика концентрація домішок може збільшити залишковий опір. Водночас легування може покращити механічні властивості, що показує компроміс між електричною й структурною оптимізацією сплаву.
Вправа
Чому «море електронів» не є повним поясненням металічної провідності?
Розв’язання
Воно передає делокалізацію, але не описує квантові зони, рівень Фермі та розсіяння, які визначають реальну провідність.