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固体物理答案 第一章金属电子气体模型习题及答案
第一章 金属自由电子气体模型习题及答案
1. 你是如何理解绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近这一点的?
[解答] 自由电子论只考虑电子的动能。在绝对零度时,金属中的自由(价)电子,分布在费米能级
及其以下的能级上,即分布在一个费米球内。在常温下,费米球内部离费米面远的状态全被电子占据,这
些电子从格波获取的能量不足以使其跃迁到费米面附近或以外的空状态上,能够发生能态跃迁的仅是费米
面附近的少数电子,而绝大多数电子的能态不会改变。也就是说,常温下电子的平均动能与绝对零度时的平
均动能十分相近。
2. 晶体膨胀时,费米能级如何变化?
[解答] 费米能级
o ℏ2 2 2/3
E = (3nπ ) ,
F
2m
其中n单位体积内的价电子数目。晶体膨胀时,体积变大,电子数目不变,n变小,费密能级降低。
3.为什么温度升高,费米能反而降低?
≠
[解答] 当 ≠ 时,有一半量子态被电子所占据的能级即是费米能级。除了晶体膨胀引起费米能
T≠≠ 0K
级降低外,温度升高,费米面附近的电子从格波获取的能量就越大,跃迁到费米面以外的电子就越多,原
来有一半量子态被电子所占据的能级上的电子就少于一半,有一半量子态被电子所占据的能级必定降低,
也就是说,温度生高,费米能反而降低。
4.为什么价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大?
[解答] 由于绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近,我们讨论绝对零度时电子的平均动能与
电子的浓度的关系。
价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大,这是金属中的价电子遵从费米—狄拉克统计分布的必
然结果。在绝对零度时,电子不可能都处于最低能级上,而是在费米球中均匀分布。由式
0 2 1/3 可知,价电子的浓度越大费米球的半径就越大,高能量的电子就越多,价电子的平均动能
k = (3nπ )
F
0 ℏ2 2 2/3 3 o 3ℏ2 2 2/3
就越大。这一点从E = (3nπ ) 和E= E = (3nπ ) 式看得更清楚。电子的平均动能E正
F F
2m 5 10m
比于费米能Eo ,而费米能又正比于电子浓度n2l3 。所以价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大。
F
5.两块同种金属,温度不同,接触后,温度未达到相等前,是否存在电势差?为什么?
[解答] 两块同种金属,温度分别为 和 ,且 。在这种情况下,温度为 的金属高于费米
T T T T T
1 2 1 2 1
o o
能 的电子数目,多于温度为 的金属高于费米能 的电子数目。两块同种金属接触后,系统的
E T E
F 2 F
o
能量要取最小值,温度为 的金属高于 的部分电子将流向温度为 的金属。温度未达到相等前,
T E T
1 F 2
这种流动一直持续,期间,温度为 的金属失去电子,带正电;温度为 的金属得到电子,带负电,
T T
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