Как известно, атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра (с определенным числом протонов и нейтронов) и с огромной скоростью движущихся вокруг него по круговым или эллиптическим орбитам отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра.
Электроны каждого атома распределены по электронным слоям (с различными радиусами). В каждом слое может находиться не более строго определенного числа электронов: в первом - 2х12= 2; во втором -2х22 = 8; в третьем - 2х32 = 18. Каждый слой электронов разделен на подгруппы в зависимости от энергетического уровня электронов. Особенностью атомов металлов является то, что они имеют небольшое количество электронов на последней электронной оболочке (эти электроны называют ещё валентными). Такие электроны слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от «своих» атомов, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны в твердом металле называют «электронным газом». Подобные электроны коллективно «обслуживают» всю упорядоченно расположенную систему ионов; при этом общая система электронов и ионов остается электрически нейтральной. Следовательно, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Такое взаимодействие между ионным каркасом и электронным газом называют металлической связью.
В твердых металлах между соседними атомами (ионами) существует сложное взаимодействие, при котором одновременно действуют силы притяжения и отталкивания. В общем виде результаты такого взаимодействия можно представить кривой на рис. 3.1.
Находящиеся в парообразном состоянии (при высоких температурах) и обладающие большой кинетической энергией атомы металлов участвуют в броуновском движении. Никакого взаимодействия между атомами, находящимися на большом удалении друг от друга, не существует (кроме отталкивания в моменты случайных столкновений). При снижении температуры интенсивность движения атомов уменьшается, они приближаются друг к другу - между ними возникает слабое притяжение.