Kim loại

5

V. Edelman

Kim loại

1. Kim loại là gì?

Lomonosov viết vào năm 1763: “Kim loại là một vật nhẹ có thể rèn được”. Hãy xem sách giáo khoa hóa học của bạn và bạn sẽ thấy rằng kim loại có ánh kim loại đặc trưng (“vật nhẹ”) và dẫn nhiệt và dòng điện tốt. Đúng, bạn sẽ đọc ngay rằng có những nguyên tố thể hiện các tính chất của cả kim loại và phi kim loại. Nói cách khác, không có ranh giới rõ ràng ngăn cách cái này với cái kia. Một nhà hóa học quan tâm chủ yếu đến các phản ứng hóa học và đối với họ, mỗi nguyên tố là một thế giới đặc biệt của riêng nó, sự mâu thuẫn như vậy không gây khó hiểu lắm.

tha thứ. Nhưng vật lý không loại bỏ được điều này. Nếu vật lý chia các vật thể thành kim loại và phi kim, thì bạn cần hiểu sự phát triển cơ bản của chúng là gì. Do đó, cần phải xác định kim loại là gì theo cách mà, giống như trong các trường hợp khác trong lĩnh vực khoa học chính xác, nó đáp ứng hai yêu cầu:

1. tất cả các kim loại phải có tất cả các thuộc tính được gán cho chúng mà không có ngoại lệ;

2. các đối tượng khác không được có ít nhất một trong các đặc điểm.

Được trang bị những thông điệp này, chúng ta hãy xem liệu tất cả các kim loại, không có ngoại lệ, có tất cả các đặc tính được gán cho chúng trong sách giáo khoa hay không. Hãy bắt đầu với “bạn có thể rèn”, tức là với hình dạng giống như tấm, theo thuật ngữ hiện đại. Và sau đó, vì sự đồng điệu, chúng ta nhớ đến nhựa: không phải vô cớ mà chúng được gọi như vậy, nhiều loại trong số chúng có đặc điểm là dạng phiến - khả năng thay đổi hình dạng không thể đảo ngược mà không bị phá hủy. Tất nhiên, đồng, sắt và nhôm rất dễ rèn; chì thậm chí còn dễ dàng hơn; indium, một kim loại khá hiếm và đắt tiền, có thể bị nghiền nát gần giống như sáp (và sáp

6

xét cho cùng thì nó không phải là kim loại!), kim loại kiềm thậm chí còn mềm hơn. Nhưng cố gắng đánh gang thường thì nó sẽ bay thành từng mảnh! Chà, khi đó các nhà luyện kim sẽ nói: điều này là do gang không chỉ là một chất liệu. Nó bao gồm các tinh thể sắt được ngăn cách bởi các lớp carbon, nghĩa là than chì. Chính dọc theo các lớp này mà gang bị vỡ. Đúng rồi. Vấn đề duy nhất là than chì dễ vỡ hóa ra lại được vật lý hiện đại phân loại là kim loại! Và nhiều hơn một than chì: ví dụ, trong số các kim loại có asen, antimon và bismuth, nhưng chúng có thể được rèn thành công như thủy tinh - chúng sẽ phân tán thành những mảnh nhỏ!

Hãy thực hiện thí nghiệm đơn giản này: đập vỡ hình trụ của một ngọn đèn bị cháy, lấy ra một vòng xoắn vonfram từ đó và cố gắng tháo nó ra. Sẽ không có gì xảy ra, cô ấy sẽ tan thành cát bụi! Nhưng bằng cách nào đó họ đã xoay được nó ở nhà máy? Điều này có nghĩa là trường hợp này có thể xảy ra - đôi khi nó có thể bị biến dạng, đôi khi thì không, tùy thuộc vào những gì đã xảy ra với mẫu trong quá khứ. Chà, có vẻ như chúng ta sẽ phải chia tay với tính năng này - tính chất laminarity. Hơn nữa, nó phần nào có tính chất phi kim loại; Rốt cuộc, cùng một chiếc ly - hãy đun nóng nó, và nó sẽ trở nên mềm và dẻo.

Vì vậy, hãy rút ngắn từ ngữ và tiếp tục. Tiếp theo là “độ bóng” hay theo thuật ngữ khoa học là tính chất quang học. Có rất nhiều đồ vật sáng bóng: nước, thủy tinh, đá đánh bóng và ai biết được còn gì nữa. Vì vậy, chỉ “tỏa sáng” thôi là chưa đủ, vì vậy hãy nói: kim loại được đặc trưng bởi ánh kim loại. Chà, điều này rất hay: hóa ra kim loại là kim loại. Đúng vậy, bằng trực giác, chúng ta cảm nhận được rằng đồng, vàng, bạc và sắt được đánh bóng sáng bóng trong kim loại. Và loại khoáng chất phổ biến - nó không tỏa sáng như kim loại sao? Không cần phải nói về các kim loại bán kim loại điển hình như germanium và silicon; chúng không thể được phân biệt với kim loại bởi vẻ bề ngoài của chúng. Mặt khác, cách đây không lâu họ đã học được cách thu được các tinh thể hợp chất tốt như molypden dioxide; Những tinh thể này có màu nâu tím và ít giống với kim loại thông thường. Hóa ra chất này nên được coi là một kim loại. Tại sao sẽ trở nên rõ ràng một chút sau.

Vì vậy, tỏa sáng như một dấu hiệu thuần túy “kim loại” là đúng.

Tiếp theo là tính dẫn nhiệt. Xin vui lòng, dấu hiệu này có thể được loại bỏ ngay lập tức - tất cả các vật thể, không có ngoại lệ, đều dẫn nhiệt. Đúng, người ta nói về kim loại rằng chúng dẫn nhiệt tốt. Nhưng nhân tiện, đối với câu hỏi “cái gì tốt và cái gì xấu?” trong trường hợp này, sẽ không có người cha nào trả lời.

Đồng có phải là chất dẫn nhiệt tốt không? Chúng ta hãy nhìn vào bảng và ngay lập tức bắt gặp một câu hỏi ngược lại: loại đồng nào và ở nhiệt độ bao nhiêu? Nếu bạn lấy đồng nguyên chất, chẳng hạn như loại dùng làm dây dẫn cho các thiết bị vô tuyến, và nung nó đến nhiệt đỏ, tức là ủ nó, thì ở nhiệt độ phòng, nó và thậm chí cả bạc nguyên chất sẽ dẫn nhiệt tốt hơn bất kỳ kim loại nào khác. Nhưng hãy uốn cong một mẫu đồng như vậy, đập nó hoặc ép nó theo chiều ngược lại, và độ dẫn nhiệt của nó sẽ trở nên kém hơn rõ rệt. Điều gì xảy ra nếu một miếng đồng đã ủ bắt đầu nguội đi? Đầu tiên, độ dẫn nhiệt sẽ tăng, tăng hàng chục lần ở nhiệt độ khoảng 10 K, sau đó bắt đầu giảm nhanh (Hình 1) và khi đạt đến độ không tuyệt đối thì nó sẽ bằng không.

Hãy lấy một lò sưởi kim loại khác - chiều cao. Hình ảnh của nó rất giống với hình ảnh chúng ta đã thấy đối với đồng, chỉ có độ dẫn nhiệt tối đa nằm ở 3 K; và ở nhiệt độ phòng, nó dẫn nhiệt kém, không tốt hơn nhiều so với tinh thể thạch anh. Nhưng thạch anh không phải là kim loại! Và cùng một loại thạch anh, như có thể thấy trong Hình 1, đôi khi hóa ra cũng không tệ hơn đồng về đặc tính dẫn nhiệt của nó. Nhưng thạch anh nung chảy, tức là thủy tinh thạch anh, dẫn nhiệt kém, giống như thép không gỉ.

Thạch anh cũng không ngoại lệ. Tất cả các tinh thể chất lượng tốt đều hoạt động theo cách tương tự, chỉ có những con số sẽ hơi khác một chút. Ví dụ, đối với kim cương, đã ở nhiệt độ phòng

7

nhiệt độ, độ dẫn nhiệt tốt hơn so với đồng.

Chúng ta hãy loại bỏ tính dẫn nhiệt bằng một trái tim trong sáng và tốt nhất là không nói về nó. Và không chỉ bởi vì trên cơ sở này, việc phân biệt kim loại với phi kim không phải là điều dễ dàng, mà còn bởi vì, hóa ra, những đặc điểm cụ thể về tính dẫn nhiệt của kim loại (và cũng là hệ quả của tính dẫn điện của nó - tính chất cuối cùng còn lại).

Và một lần nữa, trong công thức được đưa ra ở đầu bài viết, việc làm rõ không chỉ là tính dẫn điện mà còn là tính dẫn điện tốt. Nhưng khi nói đến tính dẫn nhiệt, cụm từ “tốt” đã cảnh báo chúng tôi và hóa ra, nó không phải là vô ích. Tài sản cuối cùng bị nghi ngờ là gì? Chúng ta nhất định phải cứu nó, nếu không chúng ta sẽ không còn kim loại nào cả, đồng thời không có chất bán dẫn, không có chất cách điện. Đây là khoa học! Trong hầu hết các trường hợp, bất kỳ học sinh nào cũng không nghĩ về những gì mình đang phải đối mặt mà đào sâu hơn và cảm thấy bối rối.

Và có một lý do. Hãy lấy bảng các đại lượng vật lý và nhìn vào các con số. Ví dụ, ở đây, ở nhiệt độ phòng, điện trở từ xa $\varrho$ (Ohm cm) của đồng $\sim 1,55 \times 10^{-6}$; ở độ cao $\varrho \sim 10^{-4}$; đồ thị $\varrho \sim 10^{-3}$; đối với silicon và germanium nguyên chất $\varrho \sim 10^{2}$ (nhưng bằng cách thêm tạp chất, nó có thể được đưa lên $\sim 10^{-3}$); bằng đá cẩm thạch $\varrho = 10^{7} \div 10^{11}$; ở kính $\varrho = 10^{10}$; và đâu đó ở cuối danh sách là màu hổ phách với điện trở bị loại bỏ lên tới $10^{19}$. Và kim loại kết thúc ở đâu và chất điện môi bắt đầu từ đâu? Và chúng tôi thậm chí còn chưa đề cập đến chính trị điện tử. Nước biển nói chung dẫn dòng khá tốt. Vậy chúng ta có nên coi nó là kim loại không?

Hãy xem nhiệt độ có giúp ích gì cho chúng ta không. Nếu bạn tăng nhiệt độ, sự khác biệt giữa các chất sẽ bắt đầu giảm dần: đối với đồng

8

Điện trở bắt đầu tăng, trong khi đối với thủy tinh chẳng hạn, nó giảm. Điều này có nghĩa là chúng ta cần theo dõi những gì xảy ra trong quá trình làm mát. Và ở đây cuối cùng chúng ta sẽ thấy sự khác biệt về chất. Nhìn vào Hình 2: ở nhiệt độ của gel lỏng, dưới độ không tuyệt đối, các chất được chia thành hai nhóm. Đối với một số người, mức kháng cự vẫn còn nhỏ; đối với hợp kim hoặc kim loại không tinh khiết lắm, Q hầu như không thay đổi khi nguội; đối với kim loại nguyên chất thì điện trở giảm đi rất nhiều. Số lượng và độ hoàn hảo của tinh thể thì sự thay đổi này càng đáng kể. Norda Q ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối thấp hơn hàng trăm nghìn lần so với nhiệt độ phòng. Đối với các chất khác, ví dụ như chất bán dẫn, khi nhiệt độ giảm, điện trở bắt đầu tăng nhanh và nhiệt độ càng thấp thì điện trở càng lớn. Nếu có thể đạt đến độ không tuyệt đối thì Q sẽ trở nên vô cùng lớn. Hơn nữa, điện trở thực sự trở nên lớn đến mức không một thiết bị hiện đại nào có thể thay đổi được là đủ.

Vì vậy, chúng ta đã đạt được đáp số: kim loại là những chất dẫn điện ở bất kỳ nhiệt độ nào.

Ngược lại, chất điện môi dẫn dòng điện khi được làm lạnh đến độ không tuyệt đối. Nếu chúng ta sử dụng định nghĩa này thì cả than chì và molypden dioxide đều hóa ra là kim loại. Chất bán dẫn thuộc về đâu? Nếu chúng ta đang nói về những tinh thể nguyên chất, hoàn hảo thì nói đúng ra, chúng là chất điện môi. Nhưng nếu chúng chứa nhiều tạp chất thì chúng có thể trở thành kim loại, nghĩa là chúng vẫn dẫn điện ở nhiệt độ thấp nhất.

Cuối cùng chúng ta còn lại gì? Chúng tôi đã cố gắng xác định được đặc điểm cơ bản duy nhất, được hướng dẫn mà chúng tôi có thể, nếu không thực hành nâng cao, thì ít nhất về nguyên tắc, luôn phân biệt được kim loại với phi kim loại. Và vì dấu hiệu này là duy nhất nên cả hai điều kiện đều tự động được thỏa mãn, việc thực hiện điều mà chúng tôi yêu cầu ở đầu bài viết.

9

2. Tại sao kim loại dẫn được dòng điện?

Từ lâu, người ta đã lưu ý rằng các nguyên tố như đồng, vàng, bạc, sắt, chì, thiếc, cả ở dạng nguyên chất và khi hợp kim với nhau sẽ tạo thành kim loại. Những chất khác, ví dụ như phốt pho, lưu huỳnh, clo, nitơ, oxy, bản thân chúng không những không phải là kim loại mà còn kết hợp với kim loại và biến chúng thành chất điện môi. Một ví dụ về điều này là muối thông thường NaCl. Vì vậy, trong hóa học đã xuất hiện sự phân chia các nguyên tố thành kim loại và phi kim.

Bản thân sự phân loại như vậy không gì khác hơn là một tuyên bố về sự thật, mặc dù thoạt nhìn nó tuyên bố giải thích tính chất của các chất chỉ dựa trên cấu trúc của các nguyên tử. Trên thực tế, chúng ta hãy nhìn vào bảng tuần hoàn. Các nguyên tố nằm trong cùng một cột có tính chất hóa học rất giống nhau. Nhưng liệu các tinh thể hoặc hợp kim làm từ chúng có dẫn được dòng điện không? Nhìn vào bảng, không thể trả lời được câu hỏi này. Do đó, tất cả các nguyên tố của nhóm thứ nhất đều tạo thành kim loại, ngoại trừ nguyên tố thứ nhất - hydro. Nhưng luật mà ai đó được phép vi phạm không còn là luật nữa. Đúng, ở nhóm thứ hai, tình hình tốt hơn: ở đây tất cả các nguyên tố đều là kim loại ghép; và ở nhóm thứ ba lại xảy ra thất bại: boron là chất bán dẫn, còn nhôm là một kim loại đẹp. Nó thậm chí còn tệ hơn. Nguyên tố đầu tiên của nhóm thứ tư là carbon; Chúng tôi đã đề cập rằng đồ thị - cái gọi là tinh thể cacbon - là một kim loại. Nhưng kim cương cũng là một tinh thể được tạo thành từ các nguyên tử carbon, nhưng được sắp xếp khác với than chì – một chất cách điện. Krementium và germanium là chất bán dẫn cổ điển. Thiếc là một kim loại có vẻ điển hình. Tuy nhiên… Nếu thiếc sáng bóng màu trắng quen thuộc được giữ ở nhiệt độ -30°G, thì cấu trúc tinh thể của nó sẽ thay đổi và nó sẽ chuyển sang màu xám. Và thiếc này - nó được gọi là “thiếc xám” - là một chất bán dẫn! Và chì luôn là kim loại.

Nếu bạn bắt đầu trộn các yếu tố khác nhau thì bức ảnh hoàn toàn có điều kiện.

chủ đề. Ví dụ, chúng ta hãy hợp kim hai kim loại indium và antimon - theo tỷ lệ một-một. Chúng tôi thu được chất bán dẫn InSb, chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghệ. Mặt khác, chúng ta đã nói rằng molypden dioxide MoO₂ ở T ≈ 0 K dẫn dòng điện, nghĩa là MoO₂ là một kim loại. (Và WO₂, Re₂O₃ và một số oxit khác cũng là kim loại.) Và nếu các tinh thể thu được từ các nguyên tử bị cuộn và nén mạnh, thì hóa ra hầu hết tất cả các chất đều trở thành kim loại, ngay cả những chất kim loại điển hình như lưu huỳnh. Đúng vậy, đối với nó, áp suất chuyển sang trạng thái kim loại là rất cao - vài trăm nghìn atm (và đối với hydro thậm chí còn nhiều hơn thế).

Có vẻ như việc phân chia các nguyên tố thành kim loại và phi kim không đơn giản như vậy bài toán. Trong mọi trường hợp, rõ ràng là khi xem xét từng nguyên tử riêng lẻ, chúng ta không thể nói liệu một chất gồm những nguyên tử này có dẫn dòng điện ở T ≈ 0K hay không, bởi vì cách các nguyên tử sắp xếp tương đối với nhau đóng một vai trò rất lớn. Do đó, đối với đáp số câu hỏi “tại sao kim loại lại dẫn điện?” chúng ta cần nghiên cứu cách các nguyên tử tương tác với nhau để tạo thành chất rắn.

Chúng ta hãy xem mọi thứ diễn ra như thế nào với nguyên tố đơn giản nhất tạo nên kim loại—lithium. Số sê-ri của Li là ba. Điều này có nghĩa là hạt nhân của nguyên tử Li chứa ba proton và điện tích dương của hạt nhân được bù đắp bằng ba electron. Hai trong số chúng tạo thành lớp vỏ s đầy gần hạt nhân và liên kết chặt chẽ với hạt nhân. Electron còn lại nằm ở lớp s thứ hai. Nó có thể chứa thêm một electron, nhưng lithium không có. Tất cả các trạng thái năng lượng được phép khác đều tự do và các electron chỉ rơi vào chúng khi các nguyên tử xuất hiện (trật tự, với sự đốt nóng mạnh của hơi lithium). Sơ đồ mức trong nguyên tử lithium được thể hiện trên Hình 3.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một tập hợp các nguyên tử lithium nằm trong một thể tích giới hạn. Họ có thể hình ảnh

10

gọi chất khí (hơi), chất lỏng hoặc chất rắn. Ở nhiệt độ đủ thấp, lực hút lẫn nhau được truyền sang chuyển động rắn của các nguyên tử và hình thành tinh thể. Điều này xảy ra ở nhiệt độ không tuyệt đối, khi tất cả các chất đã biết, ngoại trừ gel, đều là tinh thể.

Vì vậy, theo kinh nghiệm, người ta biết rằng ở nhiệt độ thấp, chất rắn là trạng thái ổn định đối với lithium. Nhưng, như đã biết, trạng thái ổn định của một chất luôn là trạng thái trong đó năng lượng bên trong của nó nhỏ hơn các trạng thái kết tụ có thể có khác ở cùng nhiệt độ. Tổng năng lượng giảm đi trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác rất dễ thay đổi - xét cho cùng, đây là nhiệt bay hơi hoặc nóng chảy.

Theo quan điểm của kính hiển vi, ở nhiệt độ thấp, nội năng của một chất trước hết là tổng năng lượng của các electron của các nguyên tử tạo nên cơ thể. Nhưng các electron trong nguyên tử chiếm những mức năng lượng được xác định chặt chẽ. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể mong đợi rằng khi nguyên tử trở nên mạnh hơn thì mức năng lượng sẽ thay đổi. Trong trường hợp này, sự phân bố electron giữa các mức phải sao cho tổng năng lượng của chúng nhỏ hơn tổng năng lượng của các electron trong cùng số nguyên tử cách ly với nhau:

Điều gì sẽ xảy ra với các cấp độ có thể được hiểu dựa trên sự tương tự về chuyển động của một electron trong nguyên tử với bất kỳ hệ dao động nào, chẳng hạn như với ma trận. Giả sử chúng ta có hai ma trận hoàn hảo giống hệt nhau. Miễn là chúng không tương tác với nhau, tần số của ổ đĩa ma trận kolbatey obya là như nhau. Bây giờ chúng ta hãy giới thiệu sự tương tác giữa chúng - ví dụ, chúng ta sẽ kết nối chúng với một lò xo mềm. Và ngay lập tức, cùng với một phần, hai phần sẽ xuất hiện. Nhìn vào Hình 4: các ma trận liên thông có thể dao động cùng pha hoặc có thể va chạm với nhau. Rõ ràng, trong trường hợp sau, chuyển động của chúng sẽ nhanh hơn, nghĩa là tần số của hệ thống kolbatein cao hơn tần số tự nhiên của ma trận một kolbatein. Như vậy, kết nối tại

Hình 3. Sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử lithium và sự biến đổi của chúng khi các nguyên tử kết hợp thành tinh thể. Các bang bị chiếm đóng được vẽ bằng màu đỏ.

11

của các cấp độ được hiển thị trong Hình 3 sẽ chia thành hai. Mỗi mức năng lượng mới sẽ tương ứng với lớp vỏ electron của chính nó, lúc này không phải là một nguyên tử riêng biệt mà là một “phân tử”. Lớp vỏ chứa đầy các electron theo quy luật tương tự như đối với nguyên tử – hai electron trên một lớp vỏ. Cặp vỏ đến từ mức thấp nhất sẽ được lấp đầy hoàn toàn bằng electron. Thật vậy, chúng có thể chứa bốn electron, trong khi hai nguyên tử có sáu electron xếp thẳng hàng. Sẽ còn lại hai electron, bây giờ sẽ nằm ở mức thấp hơn của cặp thứ hai. Hãy chú ý rằng bước nhảy vọt về chất sẽ xảy ra: bằng nhau, hai electron này chiếm hai trong số bốn trạng thái có cùng năng lượng. Bây giờ họ đã có cơ hội lựa chọn và họ đã định vị mình sao cho tổng năng lượng của họ ít hơn. Không khó để biết điều gì sẽ xảy ra khi các nguyên tử sau được thêm vào: đối với mỗi nguyên tử có ba nguyên tử, mức ban đầu sẽ được phân bổ thành ba (xem Hình 3). Chín electron sẽ được bố trí như thế này: sáu electron ở bộ ba cấp độ thấp hơn phát sinh từ cấp độ gần hạt nhân nhất của lớp vỏ bên trong của nguyên tử; hai electron nữa ở cấp độ thấp hơn của bộ ba tiếp theo; electron còn lại ở mức giữa của cùng một bộ ba. Còn một chỗ trống ở tầng này và tầng trên hoàn toàn trống. Nếu chúng ta lấy $n$ nguyên tử ($n \gg 1$), thì mỗi cấp độ sẽ được phân bổ thành $n$ các cấp có khoảng cách gần nhau, tạo thành, như người ta nói, một dải hoặc vùng có các giá trị năng lượng cho phép. Ở dải dưới, toàn bộ trạng thái sẽ bị chiếm giữ, và ở dải thứ hai - chỉ một nửa, và chính xác là những trạng thái có năng lượng nằm thấp hơn. Dải tiếp theo hoàn toàn trống rỗng.

Khoảng cách giữa các cấp liền kề trong một khu vực rất dễ ước tính. Thật tự nhiên khi cho rằng đối với các nguyên tử gần nhất, sự thay đổi năng lượng của các nguyên tử electron xấp xỉ bằng nhiệt bay hơi của chất, được tính lại trên một nguyên tử. Đối với kim loại, nó tạo thành tổng cộng một số electron, có nghĩa là

12

ra cho tất cả các nguyên tử. Bây giờ các nguyên tử đã hợp nhất thành một tinh thể. Bản thân các nguyên tử trong tinh thể không chỉ giống hệt nhau mà còn có vị trí giống hệt nhau so với các nguyên tử lân cận của chúng (tất nhiên, ngoại trừ những nguyên tử rơi trên bề mặt tinh thể). Và tất cả các electron bây giờ đều có năng lượng khác nhau. Điều này chỉ có thể xảy ra nếu các electron không còn thuộc về từng nguyên tử riêng lẻ mà mỗi electron được “chia sẻ” giữa tất cả các nguyên tử. Nói cách khác, các electron di chuyển tự do bên trong một tinh thể lý tưởng, tạo thành một loại chất lỏng lấp đầy toàn bộ thể tích của mẫu. Và dòng điện tử là dòng chảy có hướng của chất lỏng này, tương tự như nước chảy qua đường ống.

Để cho nước chảy qua đường ống, cần tạo ra sự chênh lệch áp suất ở hai đầu đường ống. Sau đó, dưới tác dụng của ngoại lực, các phân tử sẽ đạt được tốc độ định hướng - nước sẽ chảy. Sự xuất hiện của tốc độ được định hướng chính xác ở đây là rất quan trọng, bởi vì bản thân các phân tử chuyển động với tốc độ rất lớn - ở nhiệt độ phòng, tốc độ chuyển động nhiệt trung bình của phân tử là vào khoảng $10^3$ m/s. Vì vậy, năng lượng bổ sung mà phân tử thu được trong dòng chảy là nhỏ so với năng lượng của chuyển động nhiệt.

Năng lượng bổ sung phải truyền cho electron để nó tham gia vào chuyển động định hướng chung của các electron trong tinh thể (và đây là dòng điện) cũng nhỏ so với năng lượng “riêng” của electron. Điều này không khó để xác minh. Chúng ta đã nói rằng năng lượng của một electron bằng thứ tự độ lớn với $1\exists B=1,6 \cdot 10^{-19}$ J. Nếu chúng ta nhớ rằng đối với một electron tự do $E=mv^2/2$ và $m=9,1 \times 10^{-31}$ kg, thì dễ dàng tìm được tốc độ: $v \sim 10^6$ m/s. Giả sử rằng tất cả các electron đều tham gia vào dòng điện và có $1\ m^3$ dây dẫn $n \sim 10^{28}$ Z (Z là điện tích hạt nhân). Khi đó, trong một dây có tiết diện $S=10^{-6}$ m$^2$ với dòng điện $I \approx 10$ A (ở dòng điện cao hơn dây sẽ tỏa ra) tốc độ định hướng của các electron là $v_H=1/neS \approx 10^{-2} \div 10^{-3}$ m/s. Điều này có nghĩa là năng lượng của electron tham gia vào dòng điện lớn hơn năng lượng của electron tự do $E$ chỉ $10^{-8}$ E, tức là $1,6 \cdot 10^{-27}$ J.

Và ở đây chúng ta phải đối mặt với một sự thật đáng kinh ngạc: hóa ra các electron, nằm ở dải dưới, thường được gọi là dải hóa trị, không thể thay đổi năng lượng của chúng một lượng nhỏ. Rốt cuộc, nếu một electron tăng năng lượng của nó, điều này có nghĩa là nó phải chuyển sang một cấp độ khác và tất cả các cấp độ lân cận trong dải hóa trị đã bị chiếm giữ. Chỉ có những nơi miễn phí ở khu vực tiếp theo. Nhưng để đạt được điều đó, electron phải thay đổi năng lượng của nó vài volt electron cùng một lúc. Đây là cách các electron trong vùng hóa trị được phân chia và chiếc bánh trên bầu trời được tạo ra - một lượng tử năng lượng. Và lượng tử năng lượng cần thiết đến từ sóng điện từ tần số cao - ánh sáng nhìn thấy hoặc tia cực tím.

Vì vậy, có chất lỏng, nhưng chính xác là không thể. Và nếu lithium chỉ có hai electron trong một nguyên tử, nghĩa là nếu chúng ta xây dựng bức tranh về nguyên tử, thì chúng ta sẽ có một chất cách điện. Nhưng helium rắn thực sự là một chất cách điện, vì vậy chúng ta có thể tự chúc mừng mình vì một số thành công: chúng ta vẫn chưa giải thích được tại sao dòng điện có thể chạy trong kim loại, nhưng chúng ta hiểu tại sao chất điện môi, nơi có rất nhiều electron và chúng đều “bôi” khắp tinh thể, không dẫn dòng điện.

Còn liti thì sao? Tại sao, anh ấy có khu vực thứ hai, chỉ mới lấp đầy một nửa. Năng lượng ngăn cách mức chiếm dụng và mức tự do của vùng bên trong được gọi là năng lượng Fermi $E_\Phi$. Như chúng tôi đã nói, sự chênh lệch năng lượng giữa các cấp độ trong vùng là rất lớn. Một electron nằm trong vùng gần mức Fermi chỉ cần tăng nhẹ năng lượng của nó - và nó ở trạng thái tự do, trong đó trạng thái không bị chiếm giữ. Không có gì ngăn cản các electron từ dải đã chuẩn bị tăng năng lượng dưới tác động của trường điện tử và đạt được tốc độ định hướng. Nhưng đây là hiện tại! Nhưng điều đó cũng dễ dàng đối với các điện tử và