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第四章 傍晚 4 1 晚餐（第2页）

“金属”

一词来源于希腊语μ?ταλλον（métallon），意为“矿山”

“采石场”

。

我们目前了解的有大约90种金属元素（约占所有现有元素的34），以及大量合金和金属间化合物。

在常温常压下，金属几乎都呈固态。

唯一例外的是汞（Hg），它是**。

有些金属在很低的温度下会熔化，比如镓（Ga）的熔点就只有29.7℃。

用镓制成的勺子看起来就像普通的钢制勺子一样，但如果你把它放在一杯热咖啡中，它就会熔化消失，这会让那些不了解这一特性的人感到惊讶[61]。

另外，也有一些金属要在非常高的温度下才能熔化，比如钨（W）的熔点为3410℃（这就是为什么它被用于制造白炽灯的灯丝）。

除了这些差异，金属还具有许多共同的特点。

从化学性质上来看，它们往往容易失去电子（被氧化），从而产生正离子。

而在物理性质上，它们还有其他重要的特性：通常来说它们有很高的密度，是电和热的优良导体，具有延展性和可锻性，它们的表面还可以反射光线。

这种性质的相似性源于它们在微观结构层面的相似性。

在20世纪初，德国物理学家保罗·卡尔·路德维希·德鲁德（PaulKarlLudwigDrude，1863—1906）提出了第一个解释金属特性的理论模型。

德鲁德将金属晶体想象成由正离子按照一定的几何形状有规律地排列组成的晶格。

离子是由原子失去一个或多个外部电子后形成的（这与金属的氧化趋势一致）。

原子失去的电子仍然被限制在晶格内，但可以在晶格内自由移动，形成一种电子气（德鲁德模型，也被称为自由电子模型）。

同时，这种紧密的结构还可以解释金属的高密度。

在没有外部电场的情况下，电子会由于热力学影响而随机移动，就像气体分子一样。

但如果被施加了一个电势差，它们就会被吸引到正极（要记住电子是带负电荷的），并开始有序地移动。

而电流就是电子的有序流动，这就解释了金属的导电性。

电子气也能促进热传导。

如果金属被加热，最接近热源的电子会获得动能，并开始加速移动，通过撞击附近的电子，它们自身的部分能量被传递，为热传导做出第一个贡献。

第二个贡献则是由晶格里的离子提供的。

那些最接近热源的离子会开始围绕其平衡位置快速振动，这种振动会在晶格内传播，从而有助于能量以热的形式传递。

金属变形的难易程度也可以用德鲁德模型来解释。

施加在金属晶体上的力实际上可以引起离子层（晶格面）的滑移，但电子气的存在可使整个结构保持稳定（这种情况反而不会发生在离子晶体中，因为如果我们试图使其变形，离子晶体中晶格面的滑移会使带有相同电荷的离子相互排斥的同时又相互靠近，这会导致晶体的破裂）。

自由电子模型也可以解释为什么金属表面会反射光线（就连普通的镜子也利用了这一点，虽然镜子是由玻璃制成的，但实际上，它们表面覆盖了一层薄薄的金属膜）。

我们记得光是一种电磁波（见第三章第1节）。

当一束光照射在金属上时，它的振**电场激发了金属的表面电子，驱动这些电子自由移动，并开始以与入射光相同的频率振**。

物理学告诉我们，一个振**的电荷会发出电磁波。

因此，金属会发出与入射光完全相等的光辐射，这就解释了为什么金属看起来很有光泽。

德鲁德的理论在定性的层面上非常有效。

但如果我们试图定量计算某些值（电导率和热导率、热容量等），就会发现它的局限性。

1927年，德国物理学家阿诺德·索末菲（ArnoldSommerfeld，1868—1951）对德鲁德模型进行了改进。