原子構造と化学結合

金属についてお前が知っていること全部——強さ、導電性、変形しやすさ——は、原子の構造から来ている。だから材料学は、思っているより一段下のレベルから始まる。

原子は原子核（陽子＋中性子）と電子の殻からできている。電子は殻に収まっていて、一番外側の殻——価電子——が化学的な性質を決める。金属は価電子が少なく、ゆるく結合している。まさにそれが金属の秘密だ。

金属の中では、原子は価電子を共通の鍋に放出する。自由に格子の中を動き回る「電子の海」だ。正に帯電した原子の芯が、負の電子の海に浮かんでいる。これが金属結合だ。これでほとんど全部説明できる：

• 導電性： 自由電子が電気と熱を運ぶ。だから銅は鋼よりよく導き、鋼はセラミックよりよく導く。

• 変形しやすさ： 金属を曲げると、原子の芯が互いに滑り合う——それでも電子の雲がつなぎ止めている。だから金属は割れずに鍛造、圧延、曲げができる。

• 光沢： 自由電子が光を反射する。

金属結合のほかに、イオン結合（電子を完全に受け渡す、例えば食塩）と共有結合（電子を共有する、例えばダイヤモンド）がある。どちらもセラミックやプラスチックで重要だ——そして、なぜそれらが脆いかを説明する：金属のように割れずに変形できないからだ。

では三つ目のことが決定的だ：だ。金属格子に異種原子を入れると、二つの可能性がある。異種原子が同じくらいの大きさで母原子を置き換える——（例えば鉄の中の）。あるいは隙間に入り込めるほど小さい——（例えば鉄の中の）。

まさにこの侵入した炭素原子が、鋼が焼入れできる理由だ：格子を歪める。詳しくはと生成の記事で。