4. Почему медь блестит

В 1916 году американцы Ричард Толмен и Дейл Стюарт раскручивали катушку медной проволоки и резко её останавливали. Так тормозит трамвай: вагон встал, а пассажиры ещё качнулись вперёд. Если в меди есть заряды, ни к чему не привязанные, они тоже должны качнуться, и по проволоке пробежит короткий толчок тока. Гальванометр его поймал. По направлению толчка вышло, что пассажиры заряжены отрицательно, а по его силе, что масса на единицу заряда у них почти как у электрона, хотя и не в точности. Так ток в проводе взвесили: его несут электроны, которые не принадлежат ни одному атому.

Отдельный атом меди держит свой единственный внешний электрон при себе. Когда атомы встают в правильную решётку, каждый отдаёт этот электрон всему куску сразу. Остаётся строй положительных ионов, а между ними море электронов, по одному с каждого атома, и ни один не знает, чей он. Один атом так не умеет, и несколько десятков тоже. Где порог, спорят: по одной оценке, капелька ртути становится металлом примерно с четырёхсот атомов, по другим раньше.

У целого появляется то, чего нет ни у одного атома: оно проводит ток и тепло, блестит и мнётся под молотком. Ток и тепло ходят парой: ещё в середине девятнадцатого века Видеман и Франц заметили, что металл, вдвое лучше проводящий ток, почти вдвое лучше проводит и тепло. Медная ручка сковороды обжигает, деревянная нет. Заряд и тепло переносят одни и те же общие электроны.

В 1900 году Друде описал это море как газ электронов-шариков, которые бьются об ионы. Модель объяснила закон Ома и угадала связь тока с теплом, но угадала случайно: две ошибки погасили друг друга, как у школьника, дважды ошибившегося в знаке. А ещё по ней выходило, что электроны при нагреве забирают заметную долю тепла, но металлы грелись так, будто общих электронов в них почти нет.

Выручил запрет Паули: два электрона не могут занять одно и то же состояние, поэтому на каждом этаже энергии мест мало, и электроны заселяют этажи по очереди. В металле этажи общие на весь кусок, и Зоммерфельд понял, что электроны заполняют их снизу доверху, а самым верхним достаются огромные скорости. Нагреть можно лишь тонкий верхний слой, остальным некуда подняться: этажи над ними заняты. А верхние носятся даже в проводе, забытом в морозилке, и с их скоростью до Луны можно долететь минуты за четыре.

Скорость эта обманчива: она уходит на метания во все стороны, а не на полёт к лампе. Общее смещение вдоль провода толщиной в миллиметр при токе в один ампер — около трети метра в час, медленнее улитки. Лампа загорается сразу потому, что по проводу со скоростью, сравнимой со световой, бежит электрическое поле и толкает всю очередь разом.

Оставался вопрос, почему электрон пролетает сквозь тесный строй ионов, а не разбивается о каждый. Летом 1928 года в Лейпциге над ним сидел Феликс Блох, первый аспирант Гейзенберга. Он нашёл, что волна электрона в идеальной решётке — та же свободная волна, только с рябью в шаг решётки, и правильный строй её не рассеивает вовсе. Результат показался Блоху слишком простым для открытия, но Гейзенберг, едва увидев его, сказал: «Это оно».

Лес, где деревья высажены идеально ровными рядами, можно пройти насквозь и ни разу не задеть ствол. Мешают только упавшие деревья и то, что стволы качаются на ветру: примеси, сбои решётки и тепловая дрожь ионов. Сопротивление оказалось свойством не электрона, а испорченного строя. Металлическое стекло Дювеза проводит хуже кристалла из того же сплава потому, что в его лесу нет ни одного ровного ряда.

Через три года, тоже у Гейзенберга, англичанин Алан Уилсон показал, что в кристалле этажи для электронов собираются в полосы, а между полосами лежат щели, где этажей нет вовсе. Если последняя полоса заполнена доверху, а щель над ней широкая, электроны похожи на пассажиров набитого автобуса: пересесть некуда, и ток не течёт. Это изолятор. В полупустом автобусе пассажиры свободно перетекают вперёд, и это металл. Если щель узкая, выходит полупроводник. Добавь в кремний фосфора, один атом на миллион, и сопротивление упадёт примерно в миллион раз.

В почти полной полосе заводится новый житель, дырка: пустое место, на которое перескакивает сосед, так что место отъезжает назад и в поле ведёт себя как частица с положительным зарядом. Так всплывает пузырёк в бутылке, хотя сам он лишь место, где нет воды. Паули примерно тогда же отмахивался от полупроводников: это свинство, писал он коллеге, и неизвестно, существуют ли они вообще.

Металлом кусок делает не элемент, а то, как заполнена полоса: натрий, сдавленный, как вещество в земном ядре, становится прозрачным изолятором. Оксид никеля по полосам обязан быть металлом, а он зелёный, прозрачный и тока не проводит: тут ломается сама картина Уилсона. По Невиллу Мотту, электроны в нём так сильно отталкиваются, что застревают по одному на атоме, как пассажиры, которые не выносят соседей и не пересаживаются. Полной теории таких веществ нет до сих пор.

Блеск рождается в том же море. Оно умеет колебаться целиком, со своей частотой, и физики называют его плазмой. Свет, который колеблется медленнее, электроны успевают передразнить и отправляют обратно, погасив у самой поверхности: металл становится зеркалом. Слишком быстрый ультрафиолет они передразнить не успевают, и тонкие плёнки щелочных металлов его пропускают.

Цвет дают другие электроны, из оболочки поглубже, не ушедшей в общее море. У меди они съедают сине-зелёную часть света, и медь рыжая. У серебра они берутся за дело только в ультрафиолете, и серебро белое. Золото тоже было бы серебристым, если бы не теория относительности: возле его тяжёлого ядра электроны движутся с заметной долей скорости света, от этого перестраиваются и внешние оболочки, и поглощение съезжает из ультрафиолета в сине-зелёный свет.

Ковкость тоже из моря. Общие электроны клеят ионы без предпочтений, в любую сторону, поэтому ряды атомов могут соскальзывать друг по другу, не разрывая кусок. Кристалл соли под молотком раскалывается, медь сминается. Золото расковывают в лист, сквозь который видна лампа, и Фарадей заметил, что на просвет такой лист зелёно-голубой. Один листок показывает всё сразу: он блестит, у него свой цвет, и несколько сотен слоёв атомов в нём так и не разошлись.

Из общего моря растут четыре ветви. На сильном холоде общие электроны некоторых металлов сливаются в одну волну, и пропадает само сопротивление. Медь, бронза и железо уходят к орудиям и машинам. Полупроводник с примесями и дырками ведёт к транзистору и компьютеру. Четвёртая ветвь началась задолго до людей: железо в расплавленных зародышах планет стекало к центру, а внешнее ядро Земли, сквозь которое не проходят сдвиговые волны землетрясений, жидкое до сих пор, и текущий металл сам поддерживает магнитное поле планеты.

Натрий при обычном давлении — мягкий металл: режется ножом и блестит на свежем срезе, пока воздух его не затянет. Отдай его общий электрон хлору, и блеск пропадёт, останется прозрачный кристаллик соли. А там, где электроны делят не всем куском, а двое соседей между собой, связь получает направление.