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1
材料物理性能
(Physicalpropertiesofmaterials)
前言固体材料中电子运动状态的基础
知识
第二章材料的电性能
·第一章材料的热学性能
第三章材料的磁性能
第四章材料的介电性能
第五章材料的光学性能
2
前言固体材料中电子运动状态的基础知识
1.电子的波动性与量子自由电子理论
1.1电子的波粒两象性
●人类对光的认识过程
微粒说——波动说
19世纪末,人们确认光是一种电磁波,服从
Maxwell电磁波动理论。但波动理论无法解释光电
效应!
1905年爱因斯坦受普朗克量子假定启发,提出“光
量子”假说并成功解释了光电效应。
3
关于光的产生和转化的一个启发性的观点1905年3月。
人类对光的本质的认识又前进了一步
一光具有波粒两象性!
光的波粒两象性
ε=ho
4
1.1电子的波粒两象性
1924年一个年轻的法国亲王(德布罗意)在其博士论文中提出:既然原来最具典型波动特征的光具有粒子性,那么同样原来认为是粒子的电子也应该具有波动性!
即:波粒两象性不局限为光!而应该是普适的,一切微观粒子也都具有波动性!
E=hop=hk
5
1.1电子的波粒两象性
1927年美国的戴维孙和革末实验证实了实物粒子波动性
、观察到在晶体表面电子的衍射现象与x射线的衍射现象相类似
----电子具有波动性
加速电极
镍单晶
电子枪探测器
6
实物粒子波动性实验
同年,小汤姆逊的电子束穿过
多晶薄膜后的衍射实验,得到了
与x射线实验极其相似的衍射图样
戴维孙和小汤姆逊同获1937年
诺贝尔物理学奖
大量实验证实除电子外,中子、质子以及原子、
分子等都具有波动性,且符合德布洛意公式
----一切微观粒子都具有波动性
x-射线|电子
7
波函数
根据实验资料的分析,德国物理学家玻恩在1927年提出了物质波的统计解释:
物质波在空间某处的强度与粒子在该处出现的几率成正比,即与位置的几率成正比。即物质波是一种几率波。
这样,在某一时刻t,在空间的不同位置(x,y,z)粒子
出现的几率是不同的,
这样几率波就应当是空间位置(x,y,z)和时间t的函数,
这个函数写成①(x,y,z,t)或φ(F,i)并称为波函数
8
波函数
●粒子的运动状态不同,其在空间不同位置出现的几率也不同,那么,描述其几率的波函数也是不同的!
●这样,波函数也是描述粒子状态的函数,粒子处于不同的状态时,其波函数也是不同的。
F)波函数表示的波的强度为ψ=yy
y*ψ的共轭复数
米
9
波函数
根据波恩的统计解释,微观粒子出现在位置r
处的几率正比于波的强度,那么在t时刻,在r附近的小体积元dr内发现粒子的几率就是
10
波函数
●如果用点子的疏密程度来表示电子在空间各点出现的几率密度,W(r)大的地方点子密,W(r)小的地方电子疏,那么空间的这些点子形成的图形就像云一样在空间存在,我们称为“电子云”!
·p=-eW(r)=-e|ψ|?是电子云的电荷密度!电
子在空间的几率密度分布就是相应的电子云电荷密度的分布!
11
波函数
●电子(微观粒子一微观体系)的各种运动状
态中有一类很特殊一体系的能量保持不变
一一定态(能量稳定的状态)
这种状态的波函数可以写成空间函数与时间函数相乘!
Y(F,t)=y(r)f(t)
定态波函数
12
波函数
●总结一下:
1、电子具有波动性和粒子性一波粒两象性
2、波动性和粒子性统一于下面公式
E=hop=hk
3、电子的运动状态由波函数来描述
4、在某时刻空间某处波的强度与电子出现的几率成正比
13
1.2电子的量子自由电子理论
金属的费米(femni)-索末菲(Sommerfeld)电子理论
人类对固体中电子的认识发展:
1)经典自由电子学说:
金属中的电子是完全的自由电子,象理想气体分子一样,服从玻耳兹曼统计规律!
该理论成功地计算出金属电导率以及电导率和热导率的关系。
2)量子自由电子学说:
用量子力学的一些理论来修正经典自由电子学说。
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12金属的费米(fermi)-索末菲
(Sommerfeld)电子理论
●1.2.1金属中自由电子的能级
F—S理论中也把金属的电子看作是自由电子!
量子理论中,自由电子的波函数是平面波的波
的波函数!
(y)-Aolkφ(x)=Ae
太冲波
西图
救数
生
上
15
1.2自由电子量子理论
晶体具有周期性,其中的电子波函数也应具有周期性,
根据波粒两象性,电子的能量为
y(x)=y(x+L)
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