A-level 物理 (进阶物理)/金属
你需要了解金属的几个物理性质
在微观尺度上，金属由正金属离子在自由（离域）电子的“海”中构成。电子能够自由地在金属晶格中移动，在离子之间穿梭。因此，金属键被描述为非定向键，这与共价键材料（例如金刚石中的碳原子）中原子之间发现的定向键形成对比。
由于离域电子携带电荷并能够自由移动，因此它们被称为“移动电荷载体”。电只是带电粒子的流动，因此金属中每单位体积的移动电荷载体数量高意味着它们往往是非常有效的导体。相反，离子键材料涉及固定位置的离子。离子是带电粒子，但由于它们是静止的，因此不被描述为移动电荷载体，这使得离子物质（例如氯化钠）在固态时无法传导电流。
当电流流过金属时，离域电子与金属离子发生碰撞，将动能传递给它们，导致金属温度升高。随着金属温度升高，金属离子振动得更剧烈，电子更容易与它们发生碰撞，这意味着电流的流动受到阻碍。因此，金属的电阻随温度升高而增加。
类似地，由于更高的电流涉及更快的电子流动，它们会导致电子和金属离子之间的碰撞次数更多，从而导致导体材料温度升高。英国电网就是一个例子——电力以极高的电压（通常为 275kV 或 400kV）和低电流在全国传输，因此允许电力以高功率传输，而不会在电线中产生明显的热量。
这片自由电子的“海”也可以被描述为一种不会干涸的胶水。带负电的电子对带正电的金属离子具有静电吸引力。这就是将整个金属结构保持在一起并赋予金属强度的因素，即材料抵抗分离的能力。
这也意味着金属会在不完全分离（断裂）的情况下改变形状。这被称为塑性变形，即材料发生永久性变化（与弹性变形不同），并且也不发生断裂（例如，当玻璃纤维拉伸得太远时）。纯金属通常非常具有延展性和可塑性，可以加工成各种形状。电子海允许原子相互移动。原子可以从晶格上的位置移动。然后，其他原子可以去填充那个位置。晶格中的整个原子层可以相互滑动，自由电子流经它们之间会将它们粘在一起 [参见位错]。胶水允许原子移动而不破坏金属键，即自由流动电子与正离子之间的静电吸引力。
当然，金属最终会断裂，但它们往往会先出现颈缩现象。
在共价键构成强度的材料中，这种情况不可能发生，因为电子需要处于特定的位置。当离子键或共价键断裂时，它们通常不会恢复到一起。完全由共价键或离子键结合在一起的材料往往非常脆。金属中的键合是非定向的且非永久的。这赋予了金属强度和塑性，它们最有用的力学性质。
刚度
由于电子海与金属离子之间的静电吸引力将层紧密地结合在一起，因此金属很好地抵抗变形。对于合金来说尤其如此，因为不同尺寸的原子阻止层相互滑动。
延展性
由于键合是非定向的且非永久的，电子可以自由移动，原子可以四处移动并相互滑动。这使得金属具有相对的延展性。
韧性
金属之所以坚韧，原因与它们具有延展性相同：正离子可以相互滑动，同时仍然保持在一起。因此，它们不是断裂，而是改变形状，从而导致韧性增加。这种效应被称为塑性。当坚韧的材料断裂时，“所用能量/新表面积”的比率非常大。
弹性
当金属被拉伸时，它可以恢复到原来的形状，因为将离子结合在一起的电子海也可以被拉伸。
脆性
韧性的反义词：一种材料在受到冲击或力时容易断裂或破碎。它会由于缺陷和裂纹而整齐地断裂。金属在某些情况下会变脆，可以通过合金化或加工硬化使金属变得更脆。
可塑性
金属之所以具有可塑性，是因为它们的原子排列在可以相互滑动的平面上。它们的键是非定向的。金属还包含位错，这意味着结构中的离子可以单方面移动而不是作为整体移动，这需要更少的能量。
金属能很好地导电有两个主要原因。首先，它们处于晶格结构中。原子紧密而整齐地排列。这意味着原子在材料中非常有效地传递力，因此热振动可以很容易地将热能传递下去。这种效应在离子晶格以及硅和金刚石（它们是共价晶格）中也可以观察到。
其次，自由电子在加热时移动得更多，这是热量通过晶格传递的另一种方法。
扩散转变：发生在材料中的原子平面由于物体上的应力而相互移动时。这种转变是永久性的，并且由于结构吸收了能量而无法恢复。
无扩散转变：发生在原子之间的键伸展时，使材料能够弹性变形。一个例子是橡胶或形状记忆金属/合金（通常称为 SMA），例如镍钛合金。在形状记忆合金中，转变是通过内部结构从马氏体相变为变形马氏体相而发生的，这使得 SMA 具有高百分比的应变（对于某些 SMA，高达 8%，而钢的大致为 0.5%）。如果材料然后被加热到某个温度以上，变形马氏体将形成奥氏体，在冷却后恢复为孪晶马氏体。
金属原子形成晶格。这些是整齐有序的原子行，它们堆叠在一起形成层，层又整齐地堆叠在一起形成 3D 结构。金属保持有序结构的事实是其性质的关键。整齐有序的行将延伸数十亿甚至数万亿个原子。但是，它们不会永远持续下去。金属通常由熔融状态形成。当液体凝固时，这会在许多地方同时发生。因此，许多晶体同时形成，并且晶体相对于彼此随机取向。金属是多晶的。
晶粒尺寸对金属力学性能的影响超出了A-level课程的范围，但作为经验法则，晶粒越小，强度越高。可以生长单晶金属，它们在几何形状方面具有有趣的独特性质。然而，这是一个困难且专业化的过程，但单晶金属可用于飞机发动机中的涡轮叶片。
1. 你认为金属的导电率会比半导体高还是低？为什么？
2. 如何用金属中“电子海”中的离子来解释金属的应力-应变图？
3. 当金属加热时，它的导电率会发生什么变化？为什么？