3.8. Сверхпроводимость.

Удельное сопротивление металлов с понижением температуры монотонно уменьшается, и при некотором значении температуры вблизи абсолютного нуля (0 К) становится почти равным 0. Это явление, называемое сверхпроводимостью, со времени его открытия (Г. Камерлинг-Оннес, 1911 г.) продолжает приковывать к себе большое внимание. В таблице 10 (приложение) показаны температуры, при которых начинает проявляться сверхпроводимость различных металлов — так называемая температура перехода, или критическая температура Т_к. Причина возникновения электросопротивления в металле заключается в соударениях свободных электронов с узлами кристаллической решетки металла (называемой также ионным остовом), совершающей тепловые колебания. По мере понижения температуры ослабевают колебания решетки, и при сверхнизких температурах вероятность соударений должна приближаться к нулю. В реальном кристалле металла вследствие наличия всевозможных дефектов решетки величина сопротивления практически не становится равной нулю.

Сверхпроводящие свойства найдены также у интерметаллидов (BiSn, AuSn₄, GeIr, GaV₄ и др.), у ионных кристаллов (NbS₂, MoN), у металлоидных соединений [(SN)x], экспериментальные и теоретические исследования их свойств не прекращаются. Чрезвычайно велика потребность в таких элементах, которые обладали бы сверхпроводимостью, как в виде простого вещества, так и в виде соединений; уже очерчены границы областей периодической таблицы Менделеева, где можно ожидать проявления подобных свойств, однако полной ясности в этом вопросе еще нет. Если бы удалось в полной мере освоить сверхпроводящие материалы, то это позволило бы создавать мощные магнитные поля в результате циркуляции в катушках электромагнита незатухающего электрического тока высокой плотности, сконструировать новые типы линейных ускорителей, освоить реакции ядерного синтеза и многое другое. Кроме того, весьма перспективно применение сверхпроводящего ключа (теплового переключателя) с использованием свойства, позволяющего снижать критическую температуру Т_к путем создания магнитного поля (магнитное охлаждение).

3.9. Контактные потенциалы

На границе раздела фаз двух различных металлов всегда возникает, контактная разность потенциалов. Один металл приобретает положительный потенциал, а другой — отрицательный. Это явление обусловлено различной концентрацией электронов проводимости в контактирующих металлах и различной энергией, необходимой для вырывания электронов проводимости с поверхности металла (работой выхода электронов). Эта величина сильно зависит от наличия примесей в металле. Для некоторых металлов и сплавов величина контактного потенциала линейно изменяется с температурой, что используется для измерения температур по принципу термопар.

3.10. Работа выхода электрона.

При нагревании твердого тела до различных температур с одновременным наложением на него электромагнитного поля происходит испускание электронов — термоэлектронная эмиссия (принцип действия нити накала). Энергия, необходимая для удаления одного электрона из твердого тела, отнесенная к 1 атому, называется работой выхода электрона. Этот параметр отличается от потенциала ионизации тем, что он характеризует энергию, требующуюся для удаления электрона из металла, рассматриваемого как единая система атомов.

Работа выхода мало меняется при переходе от металла к металлу и почти для всех металлов находится в пределах 2— 5 эВ. У металлов с анизотропной структурой она изменяется в зависимости от выбранного направления. Работа выхода электрона является мерой легкости перемещения свободных электронов в кристалле металла. На ее величину оказывают влияние прочность связи, первый потенциал ионизации атома, состояние поверхности и другие факторы. При этом трудно получить однозначную зависимость между работой выхода и прочими свойствами. Невысокие значения работы выхода, свойственные щелочным металлам (в особенности Rb, Cs), обусловлены слабой прочностью связей в них и малой величиной потенциала ионизации. Цезий находит применение в фотоэлементах.

3.11. Цвета металлов.

Непрозрачность металлов вызвана рассеиванием электромагнитных волн свободными электронами. Высокая отражательная способность, обусловливающая характерный блеск металлов, объясняется отсутствием поглощения видимого света, но ультрафиолетовое излучение металлы поглощают. Присущий металлам в большей или меньшей мере серебристый цвет является следствием того, что полоса поглощения частично захватывает видимую область и создает в отраженном свете незначительную разность длин волн. Между тем золото и медь обладают собственными, только им присущими цветовыми оттенками. Медь поглощает свет с длиной волны 580 нм, энергия этого излучения в пересчете составляет 2,1 эВ (201,9 кДж/моль). Основное состояние свободного атома ₂₉Си имеет электронную конфигурацию Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹; металлическая медь имеет частично заполненную электронами 4s- зону, которая выше по энергии, чем заполненная 3d –зона. В 4s-зону включаются свободные электроны в количестве по одному электрону на каждый атом металла. Между указанными двумя зонами существует разность энергий, которая приблизительно оценивается в 2,1 эВ. Падающий свет с длиной волны λ < 580 нм возбуждает переходы электронов из нижней зоны в верхнюю. Свет с большими длинами волн отражается, придавая меди красноватый цвет. Золото поглощает излучение с длинами волн λ <500 нм, поэтому имеет желтую окраску. Между 5d- и 6s-зонами существует интервал, соответствующий разности энергий 2,5 эВ. У серебра максимальная длина волны поглощаемого света составляет 270 нм, и поэтому серебро нам кажется белым. Разность энергий между 4d- и 5s-зонами соответствует 5,1 эВ.