版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、Chapter 6: Free Electron Fermi Gas第1页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型一、价电子与传导电子一、价电子与传导电子自由Na原子的的电子组态电子组态16223221SPSS价电子轨道半径0.19nm价电子决定了元素的大多数化学性质第2页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型一、价电子与传导电子一、价电子与传导电子 价电子 离子实间距0.37nm 传导电子传导电子决定了金属的大多数特性第3页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型二、德鲁特模型二、德鲁特模型1900年 德鲁特自由电子气模型第4页/共32页123返回退出自
2、由电子气模型自由电子气模型二、德鲁特模型二、德鲁特模型自由电子气系统32910mMZNVNnmA理想气体系统 32510m浓度约第5页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型二、德鲁特模型二、德鲁特模型自由电子气系统理想气体系统 浓度大 浓度小电子气带电理想气体分子电中性第6页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型二、德鲁特模型二、德鲁特模型电子的无轨热运动和漂移运动的叠加mne2第7页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型二、德鲁特模型二、德鲁特模型电子运动方程稳态解电流密度电导率 mne2VmEedtvdmEmeVdEmenVnejd2第8页/共32
3、页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型三、成功与失败三、成功与失败电电子子浓浓度度 n: 32928/1010m室室温温下下 : m810求得求得 驰豫时间驰豫时间 : s14151010 电子平均速度电子平均速度 v: sm/105求得求得 平均自由程平均自由程 v: nm101 . 0 似乎自恰性相当好似乎自恰性相当好实实 验验 结结 果果 : : 100 nm 以以 上上 此此 外外 : 电电 子子 比比 热热 、 磁磁 化化 率率 等等 也也 遇遇 到到 了了 困困 难难 。第9页/共32页123返回退出自由电子气模型自由电子气模型三、成功与失败三、成功与失败 电子平均自由程:电
4、阻率: 电子对比热贡献: 自由电子气 模型计算实验结果100nm0.1-1.0nm较小仅为计算值的1/200较大怎么办?TT第10页/共32页Chapter 6: Free Electron Fermi Gas The alkali metals: Li, Na, K, Cs, Rb. Na, 3s conduction band. A monovalent crystal which contains N atoms will have N conduction electrons and N positive ion cores. The ion cores fill only about
5、 15 percent of the volume of a sodium crystal ( Na+, R=0.98A)第11页/共32页Chapter 6: Free Electron Fermi Gas The classical theory of the free electron model: Ohms law, the relation between the electrical and thermal conductivity; the heat capacity and the magnetic susceptibility (Maxwell distribution fu
6、nction). Experiments: a conduction electron in a metal can move freely in a straight path over many atomic distances.第12页/共32页Chapter 6: Free Electron Fermi Gas Why is condensed matter so transparent to conduction electrons? (1) A conduction electron is not deflected by ion cores arranged on a perio
7、dic lattice; (2) A conduction electron is only infrequently by other conduction electrons. (Pauli principle). A Free electron Fermi gas: a gas of free electrons subject to the Pauli principle)第13页/共32页1. Energy Levels in One Dimension Consider a free electron gas in one dimension, taking account of
8、quantum theory and of the Pauli principle. An electron of mass m is confined to a length L by infinite barriers. The Schrodinger equation (-2/2m)d2n/dx2=n n , where n is the energy of the electron in the orbital.第14页/共32页1. Energy Levels in One Dimension The Schrodinger equation (-2/2m)d2n/dx2=n n ,
9、 where n is the energy of the electron in the orbital. The boundary conditions are n (0)=0; n (L)=0. Then n (x)=Asin(2 x/ n); n n/2=L,where A is a constant. 第15页/共32页1. Energy Levels in One Dimension第16页/共32页1. Energy Levels in One Dimension The energy n of the electron is given by n = (2/2m)(n /L)2
10、 . In a linear solid the quantum numbers of a conduction electron orbital are n and ms(=1/2). The number of orbitals with the same energy is called the degeneracy. Let nF is the topmost filled energy level, the condition 2 nF=N determines nF.第17页/共32页1. Energy Levels in One Dimension第18页/共32页1. Ener
11、gy Levels in One Dimension The Fermi energy is defined as the energy of the topmost filled level in the ground state of the N electron system. ThusF = (2/2m)(nF /L)2 = (2/2m)(N /2L)2 .第19页/共32页2. Effect of Temperature on the Fermi-Dirac Distribution The ground state is the state of the N electron sy
12、stem at absolute zero. The Fermi-Dirac distribution gives the probability that an orbital at energy will be occupied in an ideal electron gas in thermal equilibrium:第20页/共32页2. Effect of Temperature on the Fermi-Dirac Distribution第21页/共32页2. Effect of Temperature on the Fermi-Dirac Distribution The
13、quantity is a function of the temperature and is the chemical potential. At absolute zero =F (the energy of the topmost filled orbital at T=0). At all temperatures f() is equal to 1/2 when =; When -kBT, f() =exp(- )/ kBT (Boltzmann or Maxwell distribution)第22页/共32页3. Free Electron Gas in 3D The free
14、-particle Schrodinger equation in 3D is第23页/共32页3. Free Electron Gas in 3D The periodic boundary conditions: (x+L,y,z)= (x,y,z), (x,y+L,z)= (x,y,z), (x,y,z+L)= (x,y,z). Wavefunctions satisfying the free-particle Schro-dinger equation and the periodicity condition are of the form of a travelling plan
15、e wave: k(r)=exp(ikr),第24页/共32页3. Free Electron Gas in 3D The wavevector k satisfy kx=0; 2/L; 4/L; , and similarly for kx and kz . Any component of k is of the form 2n /L, where n is an integer. The energy k of the orbital with wavevector k: k=2k2/2m= (2/2m)(k x2 + k y2 + k z2 ).第25页/共32页3. Free Ele
16、ctron Gas in 3D p k(r) =-i k(r) = k k(r), so that the plane wave k(r) is an eigenfunction of the linear momentum with the eigenvalue k; The particle velocity in the orbital k is given by v=k/m. In the ground state of a system of N free electrons the occupied orbitals may be represented as points ins
17、ide a sphere in k space.第26页/共32页3. Free Electron Gas in 3D 第27页/共32页3. Free Electron Gas in 3D The energy at the surface of the sphere is the Fermi energy. The wavevectors at the Fermi surface have a magnitude kF such that: k=2kF2/2m. In the sphere of volume 4kF3/3 the total number of orbitals is 2
18、(L/2 )3(4kF3/3 )=N,第28页/共32页3. Free Electron Gas in 3D 2(L/2 )3(4kF3/3 )=N, Then kF=(32N/V)1/3, which depends only on the particle concentration. The Fermi energy is F=(2/2m) (32N/V)2/3. The Fermi velocity is vF=(kF/m) =(/m) (32N/V)1/3. Fermi temperature TF= F/ kB第29页/共32页3. Free Electron Gas in 3D 第30页/共32页3. Free Electron Gas in 3D The total number of orbitals of energy : N=(V/32)(2m/ 2)3/2, so that the density of states
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 电工(高级)资格证考试综合提升测试卷及答案详解【真题汇编】
- 幼儿园春季学期园务工作总结
- 2026年小学五年级语文培优辅差工作总结
- 2026年焦作师范高等专科学校高职单招职业适应性考试模拟试题及答案详解
- 2025年消防安全工作自检自查报告
- 2025年郴州市桂东县保安员招聘考试题库附答案解析
- 2025年福建省宁德市 福安市保安员招聘考试真题附答案解析
- 电工(高级)资格证考试能力提升试题打印【典型题】附答案详解
- 电工(高级)资格证考试考试综合练习附参考答案详解【综合卷】
- 教师资格证考试《小学综合素质》试题及答案解析(三)
- 2025年项目管理岗位考试试题及答案
- 幼儿园绘本故事《安徒生童话故事拇指姑娘》课件
- 中国麻醉学指南与专家共识(2025年)
- 物业设施维护保养计划表
- 质量管理体系内审方法与技巧
- 上海市华二附中2026届化学高二第一学期期末统考试题含答案
- 私募基金管理人-突发事件应急预案管理制度
- 新风机组施工方案(3篇)
- 化学品泄漏应急知识培训课件
- 【《基于PLC的自卸汽车举升机构控制系统设计案例》5100字】
- 空调技师考试题及答案
评论
0/150
提交评论