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[]第四章金属电子态
第四章 固态电子论
1826年,欧姆发现了欧姆定律
研究不同金属丝的导电性强弱
1853年,维德曼和夫兰兹发现
4.1 经典自由电子论
1897 J.J.Thomson 发现电子
1900年,特鲁特-洛仑兹:
平衡态下电子具有确定平均速度和平均自由程;
电子气体服从麦克斯韦-玻尔兹曼统计分布规律
经典的自由电子气模型
一、经典电子模型
金属中的自由电子,类比理想气体模型,不过是在周期性排列的离子点阵中做无规则的热运动,通过与离子的碰撞,达到热平衡。
二、经典模型的成功之处
1、成功解释了欧姆定律 --- 金属电阻随温度变化
2、成功解释了维德曼-夫兰兹定律
----一定温度下热导率与电导率的比值为常数
三、经典电子论的困难
电子热容是经典金属自由电子论遇到的最大困难。
1925年,费米和狄拉克相继提出了量子系统新的统计
------费米-狄拉克统计
1928年,索末菲提出:电子不服从经典统计分布而遵守量子统计分布 ------费米-狄拉克统计
自由电子的量子理论:
成功之处-------解释了电子对晶体热容贡献很小的事实
不足之处----不能解释固有绝缘体、半导体和导体之分
自由电子气的量子理论
布洛赫、布里渊
周期场中运动的电子具有的特征
量子力学的处理
索末菲等人从量子力学的观点对经典理论作了重要的修正和发展,认为“电子具有波动性,其状态可以用波函数来描述;电子的波函数满足薛定谔方程,在金属中自由点的势能为常数(可取零),电子是Fermi 子,服从Fermi-Dirac 统计”,即发展成量子的金属自由电子理论。
从数学上讲 给定一个E 就有相应的解
从物理上讲 只有特殊的E 才能得到满足物理要求的解
这就意味着能量只能取分立的值--量子化
定态薛定谔方程
4.2.1 自由电子能级和能态密度
一、能级
4.2 费米分布函数和费米能级
假定正电荷均匀分布,每个自由电子的势能是一常数
电子波函数:
波函数归一化:
得出
周期性边界条件
因此,金属中的自由电子的能级为分立的,其能级的能量值为
其中nx,ny,nz为整数(包括0)
波矢k在k空间,由一组量子数(nx, ny, nz ) 表示.
(kx, ky, kz )为坐标的空间称为波矢空间也叫k空间.
每个点代表一个状态.
K 空间单位体积中含有代表点的数目等于
2、波矢密度:
二、能态密度g(w)
1、定义:对给定体积的晶体,单位能量间隔的电子状态数。
波矢空间每个状态代表点所占体积:
3、能量E到E+dE之间球壳的体积
即波矢 到 的体积为
4、其状态数(考虑自旋)
4.2.2 费米分布函数
电子系统服从泡利不相容原理和费米-狄拉克统计
当
意义:表示在费米能级 ,被电子填充的几率和不被电子填充的几率是相等的.
一、在不同温度下的费米分布函数
(1)T=0 k,绝对温度
(3)温度上升,函数f(E)发生大变化的能量范围变宽,但在任何情况,此能量范围约为
(2)
可用于确定EF
将 f(E) 乘以能量在 E ~ E + dE 之间的状态数g ( E ) dE ,就得到能量在 E ~ E + dE 之间的电子平均数 dN 。这样,系统中电子的总数 N 就可表示为:
二、求费米能级
一、T=0绝对零度,电子气系统处于基态
物理意义
下面以T=0K和T≠0K两种情况来讨论。
2.所能量高于 的状态都是空的
3.绝对零度时,电子填充的最高能级
1.所有能量 低于 的态都填满了电子
系统中电子的总数N就可表示为
数值估计
电子气系统每个电子的平均动能
解释:即使在绝对零度,电子仍有相当大的平均能量。
根据热力学温度是平均动能的标志,T=0时,电子的平均动能为零的结果。
但是根据泡利不相容原理,每个状态只能容纳两个自旋方向相反的电子,因此在绝对零度不可能所有的电子都填在最低能态。
二、T≠0K ,求费米能
当T≠0K,有 的情况,分析如下:
当E比低几个 时, 因此,f(E)≈1;
当 时, 有f(E)=1/2;
当E比高几个时
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