Физиката на металите изучава и описва поведението на йоните от кристалната решетка и проводящите електрони, които се движат в слаб и силно локализиран самосъгласуван потенциал на решетката.
Паул Друде (1863—1906) като
използва разпределението на
Болцман, пръв обяснява
електропроводимостта и
топлопроводимостта на
металите.
Според Херодот терминът метал произлиза от грц. дума metallon, която означава рудник, залежи. Това, което се е добивало в рудниците, Платон нарича металия. Медта, среброто и златото се срещали самородно във вид на парче метал. В древността познавали само седем метала: мед, сребро, злато, желязо, олово, калай и живак. Към края на XVIII в. стават известни още 10 метала: арсен, антимон, бисмут, кобалт, манган, молибден, никел, платина, волфрам и цинк. От известните днес 105 елемента 84 имат характерни метални свойства. Характерните свойства на металите — електропроводимост, топлопроводимост и пластичност, са следствие от наличието на два вида електрони в тях: вътрешни електрони на йона — силно свързани с ядрото и способни само слабо да трептят около него, колективизирани валентни електрони (свободни електрони) — слабо свързани с ядрата и движещи се свободно през кристалната решетка. Взаимодействието между двата вида електрони силно компенсира взаимодействието на свободните електрони с ядрата. Взаимодействието между самите валентни електрони им пречи да следват движенията на всеки йон поотделно, поради което ще транслират слабо измененото си атомно движение през кристалната решетка. Ето защо металът се разглежда като „скелет“ от трептящи положителни йони, потопен в газ от свободни, но осигуряващи устойчивото му съществуване електрони. Металите кристализират в прости, плътно подредени структури (напр. кубична и хексагонална), а в зависимост от външните условия може да съществуват в две или повече модификации с метални, неметални или смесени свойства. Електропроводимостта и топлопроводимостта в металите се осъществява от проводящите електрони — част от свободните електрони, които се намират близо до ферми-повърхността (изоенергийна повърхност, която разграничава разпределението на свободните електрони по импулс) на металите и се движат с голяма скорост. Наличността на малък брой проводящи електрони с голяма скорост е равносилно на наличието на много свободни електрони с малка скорост, което осигурява линейна зависимост между плътността на тока в металите и напрежението на приложеното електрично поле. Съществува просто съотношение (т. нар. закон на Видеман—Франц) между специфичните коефициенти на електропроводимостта и топлопроводимостта в металите.
Хенрих Лоренц (1863—1928)
използва теориите на
Максуел за
електромагнитното поле и
стастическото разпределение
и създава теорията на
електрона.
Механичните свойства на металите зависят от термичната обработка и от състава им, от наличието и поведението на примесите, дефектите и дислокациите в тях.
В идеалната кристална решетка проводящите електрони се движат без съпротивление. В реалните метали тези електрони се разсейват, което се предизвиква от нарушаването на идеалната подреденост на йоните в кристалната решетка в резултат от трептенията им и от наличието на примесни атоми, ваканции, дислокации или други дефекти в решетката. При проява на магнитно поле в метала „траекторията“ на проводящите електрони се изкривява през времето между две последователни разсейвания (през свободния пробег), което е причина за съществуването на галваномагнитни явления, на магнитосъпротивление и на ефект на Хол (поява на напречна електродвижеща сила при протичане на ток в магнитно поле). В много силни магнитни полета и при много ниски температури квантовото движение на проводящите електрони се ограничава по „орбити“ в магнитното поле, вследствие на което се наблюдават колебания на съпротивлението и магнитния момент на образеца от интензивността на полето и ефект на Щубников—де Хааз (осцилационна зависимост на съпротивлението на проводник от обратното магнитно поле, наблюдавана при ниски температури). При свръхниски температури електричното съпротивление на много метали изчезва скокообразно — те стават свръхпроводими, което е макроскопична проява на квантовите свойства на проводящите електрони. При нагряване на металите до много високи температури, при въздействие със силни електрични полета или при облъчване с електромагнитни полета, атоми или електрони от повърхността на металите се отделят електрони. Неравномерното разпределение на температурата в металите, което е следствие на неравномерното пространствено разпределение на свободните електрони, води до появата на електричен ток (или разлика в потенциалите). Взаимодействието на електромагнитни полета с метали се извършва в много тънък граничен слой (скинслой), където незначителна част от енергията на полето се поглъща от проводящите електрони, а останалата, по-голяма част, се отразява.
Арнолд Зомерфелд (1868—1951)
отчита принципа на Паули,
като използва разпределението
на Ферми—Дирак при създаване
на електронната теория на
металите.
Динамичните и статистическите
свойства на дислокациите са
описани от моделите на
Френкел—Конторова и на
Пайерлс—Наборро.
Топлопоглъщаемостта на металите при високи температури се определя предимно от структурата на кристалната решетка и от масата на йоните, а при ниски температури — от ефективната маса и от плътността на свободните електрони при тяхната ферми-повърхност.
Големи успехи в изследването на физичните свойства на металите у нас има институтът по металознание и Институтът по физика на твърдото тяло при БАН.
Вж. Физика на полупроводниците.