金属电子论
金属电子论
metals，electron theory of
研究金属中电子运动状态及与此有关的电、热输运过程的理论。金属具有良好的导电性和导热性，为解释这点 ，P.K.L. 德鲁特于 1900 年提出一个简单模型：金属中的价电子是自由电子，它们与金属离子碰撞时可交换能量，并在一定温度下达到热平衡；电子以一定的平均速度运动，可用平均自由时间来描述碰撞的频繁程度。利用这个模型可很好解释欧姆定律、焦耳 - 楞次定律[1]，以及反映导电性和导热性之间关系的维德曼 -夫兰兹定律（ 一定温度下金属的热导率与电导率的比值为常数）。但在解释金属电导率与温度成反比的规律时遇到了困难 。为改进德鲁特的模型 ，H. A.洛伦兹于1904年指出，金属中的自由电子以平均速度运动的模型过于简单 ，认为与气 体分子运动一样 ，自由电子应遵 循麦克斯韦-玻耳兹曼统计，并假定电子与金属离子的碰撞是弹性的 。洛伦兹的模型也能解释维德曼 - 夫兰兹定律，但不能解释为什么自由电子对金属的比热容无贡献这一事实，德鲁特和洛伦兹的理论称为经典的自由电子理论，其局限性来源于电子运动不遵循经典规律 。在量子论建立后 ，A. 索末菲于1928年用费米 - 狄拉克统计法代替洛伦兹所用的经典统计，解决了经典自由电子理论无法解决的问题。
金属中的自由电子并非真正自由，而是要受到金属离子的周期势场的作用，故上述自由电子理论不能解释金属的全部性质。由F.布洛赫和 L.-N.布里渊确立的单电子能带论解释了金属导电性与绝缘体和半导体的差别（见能带理论，半导体），并能定量计算金属的结合能，在考虑了金属离子的热运动的影响后，在描述金属的导电和导热等输运过程方面均取得了很大成功。
金属中自由电子之间有很强的相互作用，在低温下考虑了电子通过晶格推动相互耦合就能很好地解释单电子理论无法解释的超导电性。近年来，研究合金中电子运动规律的合金电子理论也是金属电子论中的重要内容。