A-level 物理 (進階物理)/金屬
你需要了解金屬的幾個物理性質
在微觀尺度上，金屬由正金屬離子在自由（離域）電子的“海”中構成。電子能夠自由地在金屬晶格中移動，在離子之間穿梭。因此，金屬鍵被描述為非定向鍵，這與共價鍵材料（例如金剛石中的碳原子）中原子之間發現的定向鍵形成對比。
由於離域電子攜帶電荷並能夠自由移動，因此它們被稱為“移動電荷載體”。電只是帶電粒子的流動，因此金屬中每單位體積的移動電荷載體數量高意味著它們往往是非常有效的導體。相反，離子鍵材料涉及固定位置的離子。離子是帶電粒子，但由於它們是靜止的，因此不被描述為移動電荷載體，這使得離子物質（例如氯化鈉）在固態時無法傳導電流。
當電流流過金屬時，離域電子與金屬離子發生碰撞，將動能傳遞給它們，導致金屬溫度升高。隨著金屬溫度升高，金屬離子振動得更劇烈，電子更容易與它們發生碰撞，這意味著電流的流動受到阻礙。因此，金屬的電阻隨溫度升高而增加。
類似地，由於更高的電流涉及更快的電子流動，它們會導致電子和金屬離子之間的碰撞次數更多，從而導致導體材料溫度升高。英國電網就是一個例子——電力以極高的電壓（通常為 275kV 或 400kV）和低電流在全國傳輸，因此允許電力以高功率傳輸，而不會在電線中產生明顯的熱量。
這片自由電子的“海”也可以被描述為一種不會乾涸的膠水。帶負電的電子對帶正電的金屬離子具有靜電吸引力。這就是將整個金屬結構保持在一起並賦予金屬強度的因素，即材料抵抗分離的能力。
這也意味著金屬會在不完全分離（斷裂）的情況下改變形狀。這被稱為塑性變形，即材料發生永久性變化（與彈性變形不同），並且也不發生斷裂（例如，當玻璃纖維拉伸得太遠時）。純金屬通常非常具有延展性和可塑性，可以加工成各種形狀。電子海允許原子相互移動。原子可以從晶格上的位置移動。然後，其他原子可以去填充那個位置。晶格中的整個原子層可以相互滑動，自由電子流經它們之間會將它們粘在一起 [參見位錯]。膠水允許原子移動而不破壞金屬鍵，即自由流動電子與正離子之間的靜電吸引力。
當然，金屬最終會斷裂，但它們往往會先出現頸縮現象。
在共價鍵構成強度的材料中，這種情況不可能發生，因為電子需要處於特定的位置。當離子鍵或共價鍵斷裂時，它們通常不會恢復到一起。完全由共價鍵或離子鍵結合在一起的材料往往非常脆。金屬中的鍵合是非定向的且非永久的。這賦予了金屬強度和塑性，它們最有用的力學性質。
剛度
由於電子海與金屬離子之間的靜電吸引力將層緊密地結合在一起，因此金屬很好地抵抗變形。對於合金來說尤其如此，因為不同尺寸的原子阻止層相互滑動。
延展性
由於鍵合是非定向的且非永久的，電子可以自由移動，原子可以四處移動並相互滑動。這使得金屬具有相對的延展性。
韌性
金屬之所以堅韌，原因與它們具有延展性相同：正離子可以相互滑動，同時仍然保持在一起。因此，它們不是斷裂，而是改變形狀，從而導致韌性增加。這種效應被稱為塑性。當堅韌的材料斷裂時，“所用能量/新表面積”的比率非常大。
彈性
當金屬被拉伸時，它可以恢復到原來的形狀，因為將離子結合在一起的電子海也可以被拉伸。
脆性
韌性的反義詞：一種材料在受到衝擊或力時容易斷裂或破碎。它會由於缺陷和裂紋而整齊地斷裂。金屬在某些情況下會變脆，可以透過合金化或加工硬化使金屬變得更脆。
可塑性
金屬之所以具有可塑性，是因為它們的原子排列在可以相互滑動的平面上。它們的鍵是非定向的。金屬還包含位錯，這意味著結構中的離子可以單方面移動而不是作為整體移動，這需要更少的能量。
金屬能很好地導電有兩個主要原因。首先，它們處於晶格結構中。原子緊密而整齊地排列。這意味著原子在材料中非常有效地傳遞力，因此熱振動可以很容易地將熱能傳遞下去。這種效應在離子晶格以及矽和金剛石（它們是共價晶格）中也可以觀察到。
其次，自由電子在加熱時移動得更多，這是熱量透過晶格傳遞的另一種方法。
擴散轉變：發生在材料中的原子平面由於物體上的應力而相互移動時。這種轉變是永久性的，並且由於結構吸收了能量而無法恢復。
無擴散轉變：發生在原子之間的鍵伸展時，使材料能夠彈性變形。一個例子是橡膠或形狀記憶金屬/合金（通常稱為 SMA），例如鎳鈦合金。在形狀記憶合金中，轉變是透過內部結構從馬氏體相變為變形馬氏體相而發生的，這使得 SMA 具有高百分比的應變（對於某些 SMA，高達 8%，而鋼的大致為 0.5%）。如果材料然後被加熱到某個溫度以上，變形馬氏體將形成奧氏體，在冷卻後恢復為孿晶馬氏體。
金屬原子形成晶格。這些是整齊有序的原子行，它們堆疊在一起形成層，層又整齊地堆疊在一起形成 3D 結構。金屬保持有序結構的事實是其性質的關鍵。整齊有序的行將延伸數十億甚至數萬億個原子。但是，它們不會永遠持續下去。金屬通常由熔融狀態形成。當液體凝固時，這會在許多地方同時發生。因此，許多晶體同時形成，並且晶體相對於彼此隨機取向。金屬是多晶的。
晶粒尺寸對金屬力學效能的影響超出了A-level課程的範圍，但作為經驗法則，晶粒越小，強度越高。可以生長單晶金屬，它們在幾何形狀方面具有有趣的獨特性質。然而，這是一個困難且專業化的過程，但單晶金屬可用於飛機發動機中的渦輪葉片。
1. 你認為金屬的導電率會比半導體高還是低？為什麼？
2. 如何用金屬中“電子海”中的離子來解釋金屬的應力-應變圖？
3. 當金屬加熱時，它的導電率會發生什麼變化？為什麼？