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1.3 量子电子气基态性质 1.3.3 薛定鄂方程的解 可以验证,薛定鄂方程 有本征函数解 相应本征值 注意: 1、可以代入薛定鄂方程验证 2、这里 k 是一个与位置 r 无关的矢量 3、?k(r) 已归一化处理,归一化常数为根号V (晶体体积) 1.3 量子电子气基态性质 1.3.4 k矢量的意义 (1) 处在状态 ?k(r) 的电子,具有一个与 k 矢量成正比的确定的动量,P = ?k 证明: 根据量子力学动量算符 求解, 可见,?k(r) 是动量算符的本征态,本征值为 P = ?k 同时可见,自由电子在态 ?k(r),同时具有确定的能量和动量。因此,?k(r)是能量算符和动量算符的共同本征态 ,二个算符可对易。 自由电子速度: 自由电子能量: (2) k 是波矢,即:是自由电子德布罗意波前进方向 因为,k 是与位置 r 无关的常矢量 所以,自由电子波函数 具有: 1、在任一垂直于 k 的平面上取常数(振幅和相位都是常数) 2、在平行于 k 的直线上振幅周期性,周期波长 ? = 2?/k r1 0 k 与 r 无关的常矢量 x y k?r1 = k?r2= 常数 波阵面 r2 r3 r4 k?r3 = k?r4 二个周期性波阵面 ? = 2?/k 1.3 量子电子气基态性质 1.3.4 k矢量的意义 (3) k 的取值分立,是确定电子状态的量子数 验证:利用周期性边界条件 ? (x+L, y, z) = ? (x) 同理, 可见, k 分立取值,又由于 k 决定了电子动量和能量,从而决定电子状态,因此,称 k 是确定电子状态的量子数。 1.3 量子电子气基态性质 1.3.4 k矢量的意义 1.3.5 k空间 (1) 可以在以 kx,ky,kz 为坐标轴的直角系中表达自由电子全部允许的波矢 k kx ky 二维 k 空间示意图 2?/L 2?/L (2) 由于量子数 k 决定了电子的状态 (能量和动量),所以 k 空间也称为电子的状态空间 每个 k 态在 k 空间中占据的体积为 (2?/L)3 1.3 量子电子气基态性质 自由电子在 k 空间允许取值的波矢位置 分立取值,均匀分布 第一章 金属自由电子理论 目 录 1.1 金属经典电子气理论 1.2 索末菲量子电子气理论 1.3 量子力学及复数基本知识 1.4 量子电子气的基态性质 1.5 量子电子气的热性质 本课程从金属自由电子理论开始的原因 1、固体物理学中最简单和最成功的模型; 2、金属是最基本的物质状态之一,如:2/3元素为金属; 3、引入固体物理学最基本理论和最重要概念, 如:量子力学理论,周期性边界条件,状态(波矢 k )空间。 本章涉及金属态的二个基本物理模型 1、特鲁德(P.Drude)模型,经典论模型; 2、索末菲(A. Sommerfeld)模型,量子模型。 学习重点:注重模型的建立和完善过程及主要结论。 模型产生背景: 18世纪末,1、人们已熟悉金属导电和导热特性; 2、汤姆逊1897年发现金属中存在电子(e/m测定); 3、分子运动论处理理想气体十分成功。 1.1 金属的经典电子气理论 1.1.1 特鲁德模型及其基本假设 特鲁德处理方法: 1、金属原子结构:离子实和价电子构成; 离子实:原子核+封闭壳层内电子(芯电子); 价电子:封闭壳层外电子; 2、金属凝胶模型:离子实系统+传导电子系统, 即:离子实无规堆积在一起,价电子在整个金属中自由运动。一个理想气体的模型。 1.1 金属的经典电子气理论 1.1.1 特鲁德模型及其基本假设 价电子: 封闭壳层外电子 eZa为金属原子正电荷数 -e(Za-Z)为芯电子数 -eZ为价电子数 特鲁德金属凝胶模型 理想气体模型 离子实: 原子核+封闭壳层内电子(芯电子) 离子实无规堆积在一起 价电子在整个金属中自由运动 3、计算传导电子浓度 设,金属原子量为 A,质量密度为?m,
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