Лучшими проводниками являются металлы. В атомах металлов внешние электроны слабо связаны со своими атомами и поэтому отрываются от них и «обобществляются», становясь принадлежностью всего образца, то есть свободными электронами.
Свободные электроны образуют «электронный газ», окружающий кристаллическую решетку из положительных ионов металла.
Ученые предположили, что электрическое сопротивление металлов обусловлено столкновениями свободных электронов с ионами кристаллической решетки.
Однако это предположение не соответствовало опыту: измеренное сопротивление оказалось в тысячи раз меньше расчетного. Малое удельное сопротивление металлов указывало на то, что свободные электроны движутся сквозь металл почти без столкновений, как бы «не замечая» кристаллической решетки. Другими словами, свободные электроны оказались гораздо более «свободными», чем предполагалось.
Такое поведение свободных электронов больше напоминало движение волн, чем движение частиц: электроны как бы плавно «обтекали» ионы кристаллической решетки. И дальнейшее изучение показало, что такое «волновое» поведение электронов не случайно - выяснилось, что им объясняется также строение атома (более подробно мы расскажем об этом в § 29. Квантовая механика).
Расчеты, выполненные с учетом волновых свойств электронов, привели к настолько необычному предсказанию, что в него трудно было поверить. Согласно этим расчетам получалось, что если бы кристаллическая решетка металла была идеально периодической, электронная волна проходила бы сквозь кристалл, вообще не отклоняясь от своего направления - как сквозь пустоту. А в таком случае электрическое сопротивление металла должно было бы равняться нулю. И такое, равное нулю, сопротивление действительно было обнаружено на опыте! Об этом мы расскажем чуть позже.
В реальном кристалле кристаллическая решетка не является идеально периодической: периодичность нарушают примеси и дефекты решетки, а также отклонения ионов от своих равновесных положений вследствие тепловых колебаний.
Из-за наличия «нерегулярностей» решетки электронная волна рассеивается, то есть направление ее движения изменяется. Расчеты, сделанные в предположении, что это и является причиной электрического сопротивления металлов, оказались в согласии с опытом.