Сближение атомов до соприкосновения приводит к взаимному перекрыванию их внешних электронных оболочек. Значительные силы, обеспечивающие химическую связь между нейтральными атомами, появляются, когда начинают перекрываться электронные облака их валентных электронов, т. е. таких электронов, которые участвуют в образовании химической связи.

Металлическая связь

Рис. 1. Перекрывание орбиталей (а) и образование металлической связи (б).

Явление перекрывания довольно легко понять, если представить себе, что положительный заряд атома сконцентрирован в небольшой области, которая окружена облаком отрицательного электричества. Плотность этого облака определяется вероятностью нахождения электрона в данной точке (рис. 1). Когда электронные оболочки двух атомов начинают перекрываться, электроны каждого из них можно представить как общие, принадлежащие паре атомов или всей молекуле в целом. В металле квантованные подуровни электронов отдельных атомов объединяются в общую энергетическую зону, обеспечивая тем самым электропроводность металла.

Строение металлов

Рис. 2. Строение металлов:
электронная среда, в которую погружены
положительные ион-атомы металлов

В результате взаимодействия атомов энергетическая зона электронов в кристалле расширяется. Различия между отдельными уровнями в этой зоне могут быть значительно меньше, чем в атоме, и у металлов составляют обычно 10-20—10-23 эВ (тогда как в атоме порядка несколько электроновольт). Следовательно, относительно свободно электроны в металле могут переходить с одного подуровня на другой, от одного атома к другому и перемещаться по всему кристаллу. Они непрестанно двигаются в куске металла вокруг всех атомов, связывая их воедино.

Возникает своего рода электронная среда из отрицательных (рис. 2) зарядов, в которую погружены ионы металла. Эта среда притягивает положительные ионы и обусловливает целостность куска металла. Силы взаимодействия положительно заряженных ионов с электронной средой огромны, так как число электронов в металле чрезвычайно велико. В 1 см3 имеется по меньшей мере 3 • 1022 свободных электронов. Формально каждому иону соответствует такое количество электронов среды, что в сумме получаются нейтральные атомы. Однако превращение иона в атом происходит очень редко. Скорость и энергия электронов таковы, что они без присоединения к иону могут проходить более сотни межатомных расстояний. Поэтому в каждый момент времени число нейтральных атомов невелико и "жизнь" их недолговечна: от 10-14 до 10-11 с. Следовательно, можно заключить, что электроны ведут себя подобно частицам в газе; свободно двигаются по кристаллической решетке металла. Такое представление, зародившееся в начале века (И. Друде и А. Лоренц, 1900), позволило ввести понятие об "электронном газе".

Были проведены опыты, позволившие непосредственно обнаружить присутствие свободных электронов в металле. Л.И. Мендельштам и Н.Д. Папалекси наблюдали появление тока в гальванометре при резкой остановке вращающегося куска металла. Электроны по инерции продолжали двигаться, создавая электрический ток. Если, наоборот, резко ускорить движение куска металла, то свободные электроны по инерции отбрасываются к противоположному по движению концу металла (как при резком рывке автомобиля, пассажира отбрасывает на заднюю спинку сиденья). Это явление носит название эффекта Толмэна, который впервые провел подобный эксперимент и обнаружил возникновение электрического поля.