Если смять лист бумаги, то он не распрямится и не разрушится, а останется смятым. Если бы это был лист не бумаги, а металла, то мы сказали бы, что имеем дело с пластичным или, как говорили раньше, ковким материалом. Некоторые другие материалы совсем не пластичны. Например, при попытке изогнуть стеклянную палочку, не разогретую предварительно в пламени, мы ее просто сломаем. В таких случаях говорят, что материал хрупок. В этом, как и во многих других отношениях, стекло совсем не похоже на металл, который, как правило, более или менее пластичен. Различие может определяться как типом атомов, из которых построены металлы и стекло, так и способом осуществления межатомных связей, а скорее всего и тем и другим. Существует, конечно, и множество других различий между металлами и стеклом. Так, металлы проводят электрический ток и потому используются в линиях электропередач, стекло же практически электричество не проводит, оно служит изоляционным материалом. Стекло прозрачно, его вставляют в окна, в то время как металлический лист при толщине более миллионной доли сантиметра совершенно не прозрачен.
Тем, кто изучает подобные свойства твердых тел, естественно, хочется понять причину такого резкого различия. Они хотят подробно изучить механические, электрические, оптические, а также многие другие их свойства. Более того, стремясь понять природу этих свойств, ученые хотят разработать основы для создания материалов с заранее заданными свойствами, удовлетворяющими нужды каждой отрасли промышленности. В течение последних двадцати лет исследования такого рода выделились в область науки, получившую название физики твердого тела, хотя в большинстве своем объект и методика исследований в ней подвластны скорее химии, чем физике. Физика твердого тела представляем собой одно из основных направлений науки. Она позволила открыть новые и неожиданные свойства материалов. Например, свойства полупроводников, которые обусловили бурное развитие производства не только таких новых приборов, как, например, транзисторы, но и целых отраслей техники. Естественно, что среди наук, лежащих в основе любой технологической специальности, физика твердого тела заняла одно из ведущих мест. Современный инженер свободно оперирует такими понятиями, как «валентная зона», или «зона проводимости», которые возникли при изучении твердого тела с помощью квантовой механики. Вероятно, здесь в большей степени, чем где бы то ни было, квантовая механика перестает быть «чистой» наукой и становится рабочим инструментом техники.
Конечно, твердые тела были объектом экспериментальных исследований задолго до появления квантовой механики. Начнем хотя бы с факта, известного со времен первых экспериментов в области электричества, — металлы в отличие от большинства других материалов хорошо проводят электрический ток. Открыв в начале нашего века электрон и осознав его универсальность как составного элемента вещества, ученые предположили, что в металлах некоторые или даже все атомы теряют какую-то часть своих электронов, а в изоляционных материалах, таких как стекло, этого не происходит. Электроны в металле могут свободно двигаться и тем самым проводить электричество, а электроны в изоляторах лишены такой возможности.
Почему так обстоит дело именно в металлах, предстояло объяснить квантовой механике, и надо сказать, что даже сейчас ответ на этот вопрос не совсем ясен. В то же время известен способ, как определить число свободных электронов в металле. Он основывается на эффекте Холла и заключается в следующем. Если возле проводника, по которому течет ток, находится магнит, отклоняющий электроны в сторону, то поперек проводника возникает так называемая холловская разность потенциалов.
Эту разность потенциалов можно измерить, и поскольку она зависит только от скорости движения электронов (в то время как сила электрического тока зависит как от скорости, так и от количества вовлеченных в процесс электронов), то при известном значении тока результаты измерения позволяют определить число свободных электронов в проводнике. Оказалось, что в хороших проводниках, таких как медь, каждый атом теряет примерно один электрон, все эти электроны становятся общественными (коллективизированными), образуя электронный газ. В таких металлах плотность электронного газа должна быть достаточно большой, более чем 1023 электронов в кубическом сантиметре.
