自由电子论ppt课件.ppt

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1、晶体结构晶体结合晶格振动晶体缺陷晶体范性形变合金强度理论原子扩散理论色心晶体生长晶体热容热导与热膨胀，与幅射波的相互作用。红外光学性质。晶体结合能和弹性性质晶体对幅射波的衍射现象作为研究晶体性质的基础力、热、光、电、磁、超导、介电等等实际晶体是有缺陷的处于热振动状态下的周期结构。自由电子论能带理论金属导电理论（输运理论）金属及其电导理论半导体理论其它专题：电介质理论磁性物理学近自由电子模型金属的电导、热导、热电及热、磁和光学性质，在电场、磁场中的各种现象。观点：固体（晶体）理论的两大支柱（核心理论）：晶体周期性结构晶格动力学理论能带理

2、论合作解释各个专题各种性质例如：离子实的运动价电子的运动绝热近似下分别考虑声子和Bloch电子在外场中的行为及相互作用提醒：两种理论的实验研究，不单是理论的验证和应用，更是理论的有力补充。例如色散关系、费米面和态密度的测量。第五章金属自由电子论5.1经典自由电子论（Drude-Lorentz)5.2量子自由电子论（Sommerfeld）5.3金属的热容和顺磁磁化率5.4金属的电导率和热导率*5.5金属的热电子发射和接触电势*5.6金属的交流电导率和光学性质5.7Hall效应和磁阻5.8自由电子模型的局限性参考：阎守胜书第一章黄昆书6.

3、1,6.2p275Kittel8版第6章金属在固体性质的研究和应用中占据着重要位置：一百余个化学元素中，在正常情况下，约有75种元素晶体处于金属态，人们经常使用的合金更是不计其数。金属因具有良好的电导率、热导率和延展性等特异性质，最早获得了广泛应用和理论上的关注。尝试对金属特性的理解（自由电子论和能带论）既是现代固体理论的起步，也是现代固体理论的核心内容，而且对金属性质的理解也是对非金属性质理解的基础。自由电子论在解释金属性质上获得了相当的成功，虽然之后发展起来的能带论，适用范围更具有普遍性，理论说明更加严格，定量计算的结果更符合实际

4、，但由于自由电子论的简明直观特点，直到今天依然常被人们所利用。5.1经典自由电子论（Drude-Lorentz)金属的性质：观察和实验得到的认识高电导率σ；在一定温度以上σ反比于温度T。2.等温条件下，服从欧姆定律：3.高热导率。在足够高的温度下热导率与电导率之比等于一个普适常数乘以温度。Wiedemann-Franz定律：4.载流子浓度与温度无关；5.在可见光谱区有几乎不变的强的光学吸收；反射率大或说有金属光泽。6.有良好的延展性，可以进行轧制和锻压。绝缘体半导体金属室温下关于金属的理论必须以全面和谐的解释上述性质为准。或：10-5

5、~10+5106~10810-18~10-6高纯Cu的热导率和电导率的温度依赖性：温度T↑电导率σ↓热导率Lorentz常数的变化（在一定温区内是常数）从理论上来解释固体的性质并不是一件容易的事情，因为任何宏观固体都是由很多原子（~1023/cm3）组成的，而每个原子又是由原子核和众多电子组成的，所以既便今天我们已经掌握了微观粒子的运动规律，又有了大型计算机的帮助，但对这样一个复杂的多体问题也仍然是无法完整求解的，所以我们只能通过各种合理的近似去接近真实的情况，成功的固体理论都是合理近似的结果。自由电子模型是固体理论的最早尝试，一个非

6、常简单的模型竟然给出了意想不到的结果，它改变了我们对固体的认识，也指出了理论上逐步逼近真实情况的途径。它的成功告诉我们：只有抓住相关问题物理过程的本质，才能作出最恰当的近似，最简单的模型也能解释很复杂的现象。1897年Thomson发现电子，1900年Drude就大胆地将当时已经很成功的气体分子运动论用于金属，提出用自由电子气模型来解释金属的导电性质，他假定：金属晶体内的价电子可以自由运动，它们在晶体内的行为宛如理想气体中的粒子，故称作自由电子模型，以此模型可以解释欧姆定律。几年之后Lorentz又假定自由电子的运动速度服从Maxwe

7、ll-Boltzman分布，由此解释了Wiedemann-Franz定律。这些成功使自由电子模型得到承认。虽然之后发现经典模型并不能解释金属比热、顺磁磁化率等多种金属性质，不过这些困难并不是自由电子模型本身造成的，而是采用经典气体近似所造成的，改用量子理论矫正自由电子的行为后，上述困难得到了圆满解决，因此自由电子模型成为固体理论研究一个成功尝试，是理解金属、特别是简单金属物理性质的有力工具。·Drude模型把金属简单地看成是由自由电子组成的理想气体，因此可以套用处理理想气体的方法来处理金属的各种特性。·DrudeModel中的唯一的参

8、量：电子密度（浓度）其中NA是Avogadro常数，Z是每个原子贡献的价电子数目，m是金属的质量密度（kg/m3），A是元素的原子量。我们要注意到：对于金属，n的典型值为1029/m3。这个值要比理想气体的密度高上千倍