Гуляев А.П. - Металловедение 1986 (Гуляев А.П. - Металловедение), страница 3

е. электрический ток. Максимальная энергия электронов проводимости в частично заполненной зоне металла прн Т = О К называется энергией Ферми (Ей). Электроны, имеющие энергию Ей, расположены на Ферми-поверхности, которая представляет собой изоэнергетнческую поверхность (поверхность постоянной энергии), отделяющую область, занятую электронами, от области, в которой их нет при О К. Большинство свойств металлов определяют электроны на Ферми-поверхности или вблизи нее, поэтому точное знание вида поверхности Ферми позволяет описать свойства металлов. Каждый металл характеризуется своей Ферми-поверхностью.

В простейшем случае это сфера, но для большинства металлов Ферми-поверхность имеет сложный внд, С точки зрения современнык представлений определение металла как твердого тела, обладаю. щего Ферми-поверхностью наиболее фундаментальное. Построение Ферми-поверх. настед и их изучение — важная область физики металлов. Ферми-поверхности рассчитывакпся теоретически и определяются экспериментально главным образом по анализу поведения электронов металла в магнитных полях. Для второй группы твердых тел характерно отсутствие частично заполненных эон: над целиком эаполненнод зоной (она называется валентнод) располагается пустая, т.

е. не занятая электронами — зона проводимости. Эги две зоны разделены запрещенноа заноз. У диэлектриков ширина запрещенной зоны значительна (более 3 зВ) и приложение электрического поля не может вызвать электрического тока, так как Е для преодоления широкое запрещенной зоны злектронам, чтобы попасть иэ валентноА зоны в зону проводимости. нужна очень большая энергия. В полупроводниках запрещенная зона гораздо уже, Евхвм чем в диэлектриках (менее ! зВ) н при получении достаточной для преодолення запрещенной эоны Ар «нергии элентроны вперескаяиваютв в верхнюю зону проводимо- Бпи!и сти, где могут легко ускоряться а б б под вляянием электрического поля, создавая злектрическид ток.

рмв. з. сввмв вшргвтмчввмва ввммва структуры Эта дополнительная энергия мо. твердив гва Гввмм. ввмвтмв вввмтрвввмм. вв- ютрмвовввып жег быть получена, например, пу- в — металл гыв, !ввзввхрвзв'К б — хмвлвнтрмм; тем повышения температуры, что ° — нелувреввхвмк и объясняет увеличение электропроводиости у полупроводников с ростом температуры. По сравнению с полупроводникаын у металлов даже прн 0 К наблюдается большая электропроводность, а ее снижение при нагреве вызвано рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллическое решетян, а также на нарушениях правильного периодического расположения атомов в кристаллической решетке (т. е.

на дефектах решетки— см. п.б). Наличие неяоторого (остаточного) электросопротивлення у металлов при 0 К кзк раз н вызвано дмЬентамн решетки. Однако в ряде металлов (ЫЬ, Ег, Нк, РЬ, У н др.) и сплавов (ЫЬв$п, Ы)Т1, Т1Мп, ЫЬзд!, Таз3п и др.) при очень низких температурах, в определенной для каждого металла и сплава ярвтвческоА температуре Тир(длн ЫЬвбе получена наиболее высокая температура Т„р = 23,2 К) наблюдается абсолютно полное исчезновение электрического сопротивления— эффект сшрхяроводммоснш. Этот эффект объясняется возможностью при определенных условиях особого притюкения электронов в металле друг к другу посредством их взаимодействия с кристаллической решеткой и образованием связанных пар влентров — электроя. Метааловедение сверхпроводящих сплавов в настоящее время развивается н очень перспективна.

Иэ известных (к 1983 г.) 106 химических элементов 83 — металлы. В перно- днческоА системе (табл. !) металлы расположены слева от ступенчатой линни, проведенноА от бора (В) к астату (А1). Вблизи зтоА границы ряд элементов можяо отнести по одним признакам к металлам, а по другим признакам — к неметаллам (например, В1, 3Ь). Для этих элементов, называемых полуметалламн, характерно с одноА стороны наличие злектропроводйостн вплоть до 0 К. а с другой, к меиь- шеА по сравнению с металлами концентрации электронов проводимости (10'в см в), при этом с ростом температуры влектропроводность полуметаллов растет, так как число электронов проводимости увеличввается. 2. Классификация металлов ' Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы (табл.

2). з Предлагаемая классификация не совпадает с абщепринятоа, согласно которой под черными металлами подразумеваются только железо н его сплавы, а под цветными — все остальные металлы. !! Т а 6 д н н в !. Пернодическан система д ун 1 н иодорол 1,ООВ з Ь! лиги А 6,940 11 Иа натри А 22,997 19 к калий 39,096 25 Мп марганец 54,93 Зт кь руб днй 85,48 стро 87 55 Сз нези й 132,91 74 97 вольфрам 133,92 Лантвиондм 59 Рг празеоднм !40,92 63 Гс европа й 157,0 64 Сб гадолиний 156,9 Акти 91 ра протактиний 231 95 лж америций 243 ВВ 58 Сс цеоои й 90 ТЬ торий 232, 12 4 не бериллий 9,013 12 МА магний 24,37 20 Са кальцнА 4О,ОЗ 56 Ва бари В 137,36 21 зс скандий 45,10 57 1.а лантан 138,92 60 716 вводим 144,27 92 н уран 2ЗВ, От 22 т! титан 47,90 79 Н! гафии й 178. 6 61 Рж прометий 147 ОЗ 519 иептуниА 2З7 23 у ванадий 50,95 7З Та тантал 180.88 62 зм самарий 150,43 94 Рс плутоний 24с 24 Сг ирои 52.

01 75 ие рений 1ВО.З ! 26 Ре железо 55,85 76 Оз осмий !ОО 2 5 И литий ил н ЯВе: баририн гаелааа 7 «и и ннннй 72 .'мз Ннтний т! Ма Натрий тб К наний ,;.гтл ",зе' Сианмй Т) ти ай 25 ч Ван 24 Сг ан гт 26 Са наиции лгв 29 Си Индо 55 вг л пе Ав, Гонт Нотона 51 ва Гани!а Воб нт Яи мге те Тпнил» 45 .Вь РОднЯ 5В зг цницив 44 ,Ви Рттаний 4! ВЬ ниобий 45 .РВ вата!на 47 46 св валина 45 !Ии Нн ий 55 зи блина СТР н саре Вро .А нт ий 57.7! Лайтанй 75 Те Тантал н ВВ ний 77 . Вг Яридив ТВ Н Рг Аи Влатииа валата и Св оаий ТВ Ва йа ий тг В Г нн 7 Ве Нии» 6! ТВ ТаллнЯ 56 Вд Рттти вг вв РЬ Вг. Синиец Виан н,вр-ев! 56!Н!Нй ли!нинин 57 Рг Радий Еитиы пел!таю ннталтт Лтюилттттеллпе Гни!'!'1 ЛР т ЯЕВЕЕВ Гд М петамп Ь."Ейной петалат Левтиепелмае ярпявв метелите тттттлттти йтттттт пеетлию Рлнеела~7ипе БЕЕ пелтллп БЕЛ Леелаллеелае петалло7 Прежде всего металлы можно разделить на две большие группы— черные н цветные металлы Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую гемпературу плавления, относнтельно высокую твердость н во многих случаях обладают полиморфнзмом (о последнем см.

гл. 11, и. 6). Наиболее типичным металлом этой группы является железо. 11ветньсе металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладаюг большой пластичностью. малой твердостью„относнтельно низкой температурой плавления, для ннх характерно отсутствие полнморфнзма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь. Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом: 1. Железные металлы — железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетнкн) н близкий к ннм по свойствам марганец.

Ко. балы, никель н марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для ссответствующнх сплавов, похожнх по своим свойствам на высоколегнрованные стали. 2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т. е. выше 1539' С). Применяют как добавки к легнрованным сгалям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. 3. Урановые металлы — актнннды, имеющие пренмущестсенное применение в сплавах для атомной энергетнкн. 4. Редкоземельные металлы (РЗМ) — лантан, цернй, неоднм, празеоднм н др., объединяемые под названием лантанондов, я сходные с ними по свойствам нттрий н сканднй. Этн металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления н др.).

Их применяют как прнсадки к сплавам других элементов В природных условиях онп гд встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные влементы для присадки обычно применяют «смешанный сплавэ, так называемый мшимепюдд, содержащий 40 — 45 % Се н 45 — 50 % всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят феррог(ерим (сплав церия и железа с заметными количествамн других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др. 5. Щедочмоземедьные мегладды в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев. ' Цветные металлы подразделяются на: !.

Легкие мепмь«дэ« — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью. 2. Благородные жеашдды — серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладнй, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быль отнесена и «полублагородиая» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии. 3. Легкошшвние металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий, германий.