Электронное строение материала. Квантовая теория свободных электронов. Зонная теория металлов, страница 3

При  выводе выражения (1.3) предполагается, что электрон теряет добавочную скорость каждый раз, как только он испытывает столкновение с узлом решетки, и вновь ее приобретает под действием поля.

Предполагая, что средняя скорость электронов значительно превосходит добавочную, т.е.  υср >> u, время свободного τ пробега при известной длине свободного пробега (L) можно представить

                                                                                          (1.4)

С учетом (1.3) и (1.4) выражение (1.2) примет вид

                                                                                       (1.5)

Из (1.5) следует

                                                                                (1.6)

Отношение силы тока к напряженности электрического поля называется электропроводностью (σ), а обратная величина этого выражения - электросопротивлением

                                                                                         (1.7)

Подставив в выражение (1.7) значение средней скорости (1.1), получим

                                                                                                 (1.8)

Из (1.8) следует, что электросопротивление тем меньше, чем больше свободных электронов в единице объема и чем  больше средняя длина свободного пробега L. Если принять длину L равной межатомному расстоянию порядка ~ 10-8см, то имеет место хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений электропроводности и электросопротивления.

На основе классической электронной теории металлов находит объяснение закон Видермана-Франца, согласно которому отношение теплопроводности металла к его электропроводности представляет универсальную величину, не зависящую от природы металла

                                                                                       (1.9)

Классическая теория металлов хорошо объясняет оптические свойства металлов. В соответствии с этой теорией при падении луча света на  металл свободные электроны могут колебаться в переменном электромагнитном поле, возникающем в металле под действием светового луча. При  этом электрон поглощает энергию луча и тем самым делает металл непрозрачным. Сам же электрон, находясь в возбужденном состоянии, стремится вернуться на более низкие энергетические уровни, испуская при этом энергию. Таким образом, за счет обмена энергией между квантом света и электроном световой луч будет полностью отражаться от металла, вследствие чего появится блеск.

Однако классическая теория обладает рядом недостатков, в частности, она не объясняет температурной зависимости электросопротивления, а также не в полной мере раскрывает теплоемкость электронного газа.

1.3. Квантовая теория свободных электронов

Квантовая электронная теория металлов, так же как и классическая теория,  исходит из допущения существования свободных электронов. Согласно волновым представлениям, свободно движущийся электрон описывается плоской монохроматической волной. Если длина волны превышает удвоенное межатомное расстояние, то в неискаженной решетке такая волна распространяется без рассеяния и отражается на поверхности металла. В стационарном состоянии в металле образуется система плоских стоячих волн, подобно системе акустических волн, образующих дискретный спектр. Вследствие большого диапазона частот и большой густоты их расположения этот спектр можно рассматривать как квазинепрерывный и образующий энергетическую полосу конечной ширины (по ширине не превышающий значение внутреннего потенциала решетки).