关于液态金属介绍

[拼音]：yetai jinshu

[外文]：liquid metal

和简单的非金属液体有许多共同点，60年代以来对它研究较多。但至今人们对它的结构细节仍不清楚。熔融金属的X射线或中子散射可得其径向分布函数g(r)(见非晶态材料的结构模型)，它在平均意义上描述熔体结构。当r＜σ(σ为原子有效直径，图1)，g(r)＝0，说明原子似硬球，不能互相贯穿， r大于2～3nm时，原子完全无规排列，g(r)→1。原子周围最近邻的原子数叫配位数Z，

其中ρ0是熔体粒子数密度。绝大多数金属熔化时体积约增大5％，原子序数Z减小，金属键不变。少数“反常金属”（如Ga、Ge、Bi、Sb等）熔化时体积约收缩5％，Z增加，共价键部分地变为金属键。各种金属熔化后结构趋于相近，Z在9～12左右。熔体的Z和r1随温度上升而稍改变，但g(r)基本特点不变。

液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。自由电子受到“赝原子”（它由正离子和起屏蔽作用的自由电子云组成）的很弱的势作用。两个正离子间，除了直接的静电排斥势外，还有一种间接的通过自由电子气而相互作用的势，上述两种势的叠加称为原子-原子的有效势φ(r)。理论分析指出：φ(r)在长程内有振荡（图2）。人们已建立联系φ(r)和g(r)的积分方程，可以从 φ(r)求解g(r)，或从 g(r)求期φ(r)。用“硬球模型”可很好地阐明液态金属的结构和某些热力学性质。倘若取φ(r)为“硬球势”，并配以合适的硬球直径，同样能得到与实验一致的g(r)。通过傅里叶变换由衍射强度求得的g(r)总有一定误差，人们至今不能肯定或否定熔体φ(r)振荡的存在。

金属熔化后比热容稍增加，其熔体自扩散系数是晶态的105倍，这些说明熔体原子作微振动，而振动中心在熔体内可流动。由熔体中子非d性散射（见中子衍射）可得动力学信息：测定熔体（如熔融锡或铅）非d性相干截面可研究粒子的集体运动。实验指出，在远低于临界点的温度范围内，熔体存在某种类似声子的元激发，熔体可作横波振动。

金属熔体剧冷到低于某个玻璃态转变温度Tg时可能变成金属玻璃。通常把粘滞系数超过 1013泊的过冷熔体叫做金属玻璃。金属难于过热到熔点以上。金属熔化至今没有完好的理论。

金属熔化后其电阴率、热导率、温差电势率等略有改变，但数量级与晶态的相同。熔化前后电阴率比ρ/ρ约为2，热导率比λ/λ在1～2之间。熔融金属仍是良导电、导热体。在核反应工程中常用液态金属作载热体。绝大多数金属熔化时霍耳系数R近乎不变。熔体ρ与温度近似无关，可以用自由电子模型处理。金属磁化率ⅹ由离子xe和自由电子xe组成。金属熔化后离子抗磁性基本不变(“反常”金属除外)，磁化率增量，测量 Δx可研究金属熔化时电子状态的改变。不同金属熔化后其电、磁、光等性质趋于相近。

人们开始研究液态金属电子结构，特别对过渡元素、稀土元素及其合金熔体所知甚少。例如：在压力下加热熔体时可使它（如Fe、Ni、Ce等）变成液态半导体。某些二元合金（如Cs和Au）在一定浓度下自由电子不能导电。些都是液态金属物理中的前沿问题。

参考书目

1. T.E.Faber，Theory of Liquid мetals， Cambridge，London and New York， 1972.
2. S.Takeuchi， ed.， The Properties of Liquid мetals， Taylor and Fracis， London， 1973.