第四章金属电子论ppt课件.ppt

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1、第四章金属电子论§4.1金属自由电子气的比热容§4.2金属的电导率§4.3金属的霍耳效应与磁阻§4.4金属的热电子发射与接触电势差§4.5扫描隧穿显微术§4.6等离子振荡前言在前段，介绍了晶体结构、如何确定晶体晶格、形成稳定晶体结构的原因以及晶格振动和热学性质，其内容涉及固体中原子（或离子）的状态及运动规律，属于固体的原子理论。从一定程度上，原子之所以能凝聚在一起形成有稳定周期性结构的固体，是因为原子核外带负电荷的价电子同其它带正电荷的粒子间有强的静电库仑吸引作用。电子不仅是稳定周期性结构形成的主要原因，更重要的是电子的状态和行为可导致固体性质的千变万化和丰富多彩。

2、近年来，凝聚态与材料物理领域中很多重要的发现，如巨磁电阻、庞磁电阻、高温超导、多铁效应以及新的量子态等，对这些新效应的了解均是以电子的状态和行为的了解为基础的。电子的状态和行为为什么有导体、半导体、绝缘体之分为什么原子能形成晶体为什么导热、导电固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学性质的基础包括量子物理、固体物理、半导体物理、磁性物理、超导物理等近代物理，在很大程度上源于人们对固体中电子的状态和行为的了解。金属有一些共同的物理性质易导电易导热有延展性有金属光泽人们自然会问，是什么原因使得金属具有这些共同的性质呢？1987年汤姆逊首次从实验上证实电子的存在，此后

3、不久，即1900年，特鲁特大胆提出金属之所以有这些共同的物理性质或许与这些电子有关。借助当时已很成功的气体分子运动论，特鲁特将金属中大量的电子视为自由电子气体，进而提出了金属自由电子气模型。固体由大量原子组成，每个原子由原子核和核外电子构成对金属而言，由于电负性很低，原子对最外层电子的束缚相当弱，因此，很易失去电子，这些容易脱离原子束缚的电子称为价电子，而将原子核和内层结合牢固的芯电子称为离子实。当大量原子组成晶体时，脱离原子核束缚的价电子不再属于哪一个原子，而是为所有原子所共有，成为共有化电子因此，失去价电子的离子实“沉浸”在由共有化电子形成的“电子海”或“电子云

4、”中。离子实带正电荷，由于正电荷均匀分布，施加在电子上的电场为零，对电子并无作用，因此可认为这些电子的运动是“自由”的，所谓自由电子气体模型就是把金属简单地看成是价电子组成的电子气体两个最基本的假定“自由”暗含着两层含意忽略电子和离子实间的作用“独立电子近似”模型电子自由运动的范围仅因存在表面势垒而限制在样品内部，这相当于将离子实系统看成是保持体系电中性的均匀正电荷背景，类似于凝胶，常称为凝胶模型。忽略电子和电子之间的作用凝胶模型理想气体浓度高电子气带电理想气体分子电中性无规则热运动和漂移运动的叠加无规则热运动浓度低自由电子气共同点：组成气体的粒子均是没有相互作用的

5、粒子，服从经典的玻尔兹曼统计，且只有一个参数，即粒子密度不同点：导电性导热模型成功之处金属中含有大量自由电子，这些电子好比气体分子一样形成电子气体，但由于电子本身携带电荷，电子作为电荷的载体，在电场作用下，电子会发生定向漂移运动，形成电流，因此，金属是电的良导体电子是热的载体，金属受热或存在温度场时，在温度场驱动下，电子会发生定向漂移运动，从而将热量从高温端传向低温端，形成导热现象由于导电和导热均是源于外场驱动电子的定向漂移运动，另一方面，金属中含有大量的电子，因此，金属既是电又是热的良导体模型本身的物理图像直观明了且结论简单能对金属的一些共同的物理性质给以合理解释

6、延展性金属光泽对于金属，自由电子间只有胶合作用，当金属晶体受到外力作用时，金属阳离子及原子间易产生滑动而不易断裂，因此金属经机械加工可加工成薄片或拉成金属丝，表现出良好的延展性金属可以吸收波长范围极广的光并重新反射出，因此，金属晶体不透明，呈现出特有的金属光泽。模型不足之处尽管自由电子气模型能给金属的一些共同的物理性质以合理解释，但与此同时也遇到一些根本性的矛盾，最典型问题是电子比热。在自由电子气模型中，自由电子气如同理想气体分子，服从经典的玻尔兹曼统计，因此，金属中的自由电子对热容量有贡献由能量均分定理，N个价电子组成的自由电子气，有3N个自由度，每个自由度平均热

7、能为总的平均内能为如果认为晶体的热容量由电子和晶格两部分热容量构成，则由实验导出的电子热容量仅为理论值的1/200自由电子气比热为晶格比热两者量级相当自由电子气模型所预言的结果和实验差别如此之大，究其原因，直到“费米-狄喇克统计理论”诞生后，人们才意识到电子气体并不遵从经典的玻尔兹曼统计规律，而是遵从费米-狄拉克统计分布。意味着金属中的电子即使在金属内部实际上并不能完全自由，或者说金属中的电子是近自由的，因此，更精确地应当称金属中的电子气为近自由电子气，而不是自由电子气。4.1.1自由电子的基态电子结构(1)金属中的价电子彼此之间无相互作用；§4.1金属自由电子