金属的自由电子理论

金属形成一种独特的键合方式,称为金属键合,并形成晶格结构。这种类型的键合方式的独特性在于,不像离子键和共价键,电子的共享是在两个之间原子电子仍然是局部的,在金属键中化学键是在晶格中的所有原子之间形成的每个原子的自由电子被整个晶格共享。这些自由电子在晶格中自由移动,因此被称为电子气体。
忽略电子-电子相互作用和电子-离子相互作用,就好像电子在一个封闭的盒子里运动,与晶格中的离子发生周期性碰撞。这一观点是由德鲁德提出的,他利用这一观点满意地解释了金属的许多特性,例如导电性,热导率等。

德鲁德将简单力学方程应用于电子上,导出了几个表达式,并得到了欧姆定律。通常电子在晶格中是随机运动的,这主要是由于热能,净平均效应是零。然而,当电场由于电荷作用在电子上的力,速度的另一个分量会叠加在每个电子上。

根据牛顿力学,我们可以写成

式中,e=电子上的电荷量,
E =外加电场,单位为V/m
m =电子的质量
x =运动方向上的距离。

积分方程(我)

式中,A和C是常数。

式(ii)为电子的速度方程,故C具有速度维数,只能是在没有场作用时初始阶段电子的随机速度。因此,
然而,正如我们前面讨论的,这个随机速度平均为0,因此电子的平均速度可以写成-

以上方程式表明,速度随时间无限增加,直到E被打开,然而这是不可能的。对此的解释是,电子并没有在晶格中自由移动,而是与晶格结构中的离子发生碰撞,然后失去速度,再次加速,再次碰撞,等等。

因此,考虑到平均效应,我们认为平均两次碰撞之间的时间为T,称为松弛时间或碰撞时间,电子在T时间周期内获得的平均速度称为漂移速度

现在,对于单位体积的电子数n,通过横截面a的电荷量dt将会得到

因此,电流将由,

因此电流密度是,

将式(iv)中漂移速度的值代入(v),

什么都不是,只是欧姆定律本身,

现在我们在这里定义一个新的术语,称为移动,定义为每单位漂移速度电场,

它的单位是
我们还从电导率的表达式中观察到

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