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1、 本科毕业论文 题目：关于金属电子论与电导率目 录引言11 . 金属电子轮12 . Drude的自由电子模型23欧姆（Ohm）定律24电导率与温度的关系45. 金属电导率与频率的依赖关系76.金属的热容量，Dulong-Petit定律9结论 :12参考文献：12致谢13金属电子论与电导率摘要 ： 本论文是基础理论论述类的研究题目.首先讨论的是关于金属电子论的简短的历史回顾且自由电子模型.其次简单的经典电子论来说明金属导电的原因，推导电流密度公式.再次用经典电子论的基础上解释金属的电导率与温度的关系.最后用金属经典理论来解释焦耳热产生的原因. 也通过费米分布来解决了经典电子论遇到的困难.关键词：
2、 金属电子;电导率 ;温度; 频率. 本科毕业论文引言金属电子论通过考察金属内电子的运动状态及其输运过程，运用统计方法来解释金属的导电性，导热性，热容量，以及磁学性质，力学性质和光学性质等.在金属的经典电子论范围内，实质性的进展应归功于P.K.L.Drude.Drude在1900年提出了虽然简单但却很有效的自由电子模型，利用分子运动论的成果比较好地从理论上解释了Ohm定律，Joule_Lenz定律以及反映导电性和导热性关系的Wiedeman_Franz定律.但是，Drude的理论与实验结果比较时，在定量方面仍然存在不可忽视的差异.1904年，洛伦兹指出，德鲁德自由电子模型中采用的金属内自由电子
3、都以平均速率运动的假设过于简单了.洛伦兹认为自由电子的运动应该像气体分子那样遵循麦克斯韦-波尔兹曼分布律.1905年，洛伦兹根据气体分子运动论，运用经典统计方法对自由电子在金属中的运输过程作了严密的理论分析，导出了电导率和热导率的公式.1905年，Lrentz以Drude的自由电子假设为基础改进了Drude的模型，用经典统计方法建立了关于金属导电性和导热性的更为严密的理论.但是经典理论的先天性根本缺陷，使得Lorentz的理论仍然遇到了难以解决的困难.经典电子论假设金属中存在着自由电子，它们和理想气体分子一样，服从经典的玻耳兹曼统计，因此，金属中的自由电子对热容量有贡献.但是实验上并不能察觉金
4、属有这样一部分额外的热容量.从经典理论看，这种情况只能表明电子并没有热运动，从而直接动摇了经典电子论的基础.这个矛盾直到量子力学和费米统计规律确立以后才得到解决.1 . 金属电子轮金属电子论自由电子模型不考虑电子与电子，电子与离子之间的相互作用，波尔兹曼统计分布规律，电子气体服从麦克斯韦-波尔兹曼统计分布规律，对电子进行统计计算，得到金属的直流电导平均自由程和热熔.金属电子论的发展可以分为两个阶段.最初阶段是运用经典理论结合经典统计方法（即经典电子论）进行理论分析，在解释金属的导电性和热学性质方面取得了阶段性的成果.然而，这种经典理论在许多方面存在着与实验不符的困难，这些困难在经典理论的框架内
5、是无法解决的.自从量子力学诞生后，金属电子论进入了新的发展阶段，在运用量子力学原理和量子统计方法后才最终比较圆满地解释了金属的各种性质. 2 . Drude的自由电子模型为了解释金属良好的导电和导热性能，德国科学家Drude1900提出了一个简单的自由电子模型，建立了金属经典电子论，成功地解释了金属的导电性和热学性质.Drude结合气体动理论的成果，提出了自由电子模型，他认为，金属内的电子可以分成两部分，一部分被原子所束缚，只能在原子内部运动并与原子核构成金属内的正离子；另一部分电子受到的束缚比较弱，它们已不属于特定的原子，而是在整块金属中自有运动，成为自由电子，金属良好的导电性和导热性就是由
6、这些自由电子的运动所决定的.自由电子不断地与金属内的正离子相撞，相互交换能量，在一定温度下达到热平衡.处在热平衡状态的自由电子就像气体分子那样做无规则的热运动，因而可以采用气体分子运动论来处理金属内自由电子的运动.以Drude的自由电子模型为基础，可以从理论上解释Ohm定律，Joule-Lenz定律以及Wiedemann-Franz定律.3欧姆（Ohm）定律 金属导电的宏观规律是由它的微观导电机制所决定的.金属导体具有晶体结构，原子实以一定方式排列成整齐的空间点阵，自由电子在点阵间不停地作热运动.带正电的原子实虽然被固定在格点上，但可以在各自的平衡位置附近作微小的振动；自由电子在晶格间作激烈的
7、不规则热运动.按经典物理的观点，自由电子的热运动与气体分子的热运动很相似.下面我们根据简单的经典理论说明为什么金属导电遵从欧姆定律，并把电导率和微观量的平均值联系起来.首先定性的描述一下金属导电的微观图像.2-1电子的热运动不形成宏观电流当导体内没有电场时，以微观角度上看，导体内的自由电荷并不是静止不动的.以金属为例，金属的自由电子好像气体中的分子一样，总是在不停地作无规则的热运动.电子的热运动是杂乱无章的，在没有外电场或其它原因（如电子数密度或温度的梯度）的情况下，它们朝任何方向运动的概率都一样.如图2-1所示，设想在金属内部任意作一横截面，则在任意一段时间内平均说来，由两边穿过截面的电子数
8、相等.因此，从宏观角度上看，自由电子的无规则的热运动没有集体定向的效果，因此并不形成电流.2-2电子在电场作用下的漂移运动自由电子在作热运动的同时，还不时地与晶体点阵上的原子实碰撞，所以每个自由电子的轨迹如图2-2中的黑线所示，是一条迂回曲折的折线.当金属中存在电场时，每个自由电子都受到电场的作用力，因而每个自由电子都在原有热运动的基础上附加一个逆着电场方向的定向运动（叫做漂移运动），由于漂移运动，每个自由电子的轨迹将如图2-2中虚线所示.这时自由电子的速度是其热运动速度和定向运动速度的叠加.因为热运动的速度平均值仍然等于零，所以自由电子的平均速度等于定向运动速度的平均值.定向运动速度的平均值
9、叫做漂移速度.它的方向与金属中的电场方向相反.大量自由电子的漂移运动形成金属导体中的电流.下面根据上述观点找出金属导体中电流密度和自由电子漂移速度的关系.设通电导体中某点附近自由电子的数密度为，自由电子的漂移速度为，经过时间，该点附近的自由电子都移过距离.在该点附近取一小圆柱体，截面和漂移速度方向垂直截面积为，长为.显然，位于这小圆柱体内的自由电子，经过时间后都将穿过小圆柱体的左端面.在时间内穿过小圆柱体左端面的自由电子也都在这个小圆柱体中.位于小圆柱体内的自由电子数为，所以在时间内穿过左端面的电量为= （1）式中是电子电量的绝对值.由此可得左端面上的电流为 ( 2 ) 左端面处的电流密度的大
10、小为 (3)因为电子带负点，所以电流密度的方向与电子漂移速度的方向相反.故上式可写成矢量形式 (4)式（4）给出电流密度与漂移速度的关系.利用此式可计算金属中自由电子的漂移速度.根据经典电子论，可以从微观上导出欧姆定律的微分形式.4电导率与温度的关系电子与正离子连续两次碰撞所经历的时间称为自由时间.由于电子的运动是无规则的，故任意一个电子的某一个自由时间是完全随机的.在一定温度下，大量电子的平均自由时间是一定的.在电场作用下，电子的速度为无规则运动的速度和定向运动速度的叠加，后者与场强有关.由于金属中自由电子定向运动的速率比无规则运动的速率小得多，平均自由时间实际上与外电场无关.由于电子与晶格
11、上原子实的碰撞，电子的最大定向速度是在一个自由时间内被电场加速所得到的速度，故在一定的电场作用下，定向速度不可能无限增大.考察某一个电子，其电量为，质量为，若作用于电子的电场为，则由牛顿运动定律得 (5)(5)式中的表示电子定向漂移运动的加速度.由于电子热运动的速率远大于定向漂移运动的速率，所以电子与原子实碰撞时受到的冲力远大于电场力.因而在碰撞过程中可以忽略电场力.因此电子与原子实碰撞后向各方向运动的概率相等.所以，可以假设碰撞后的瞬间，电子的平均定向漂移速度为零.设自由电子与正离子晶格相邻两次碰撞前后的平均定向速度从增为，自由电子的平均定向速度为: （6）即平均定向速度与电场强度和平均自由
12、时间成正比.考虑到电子的电量为负值，平均定向速度的方向与场强的方向相反.式（6）代入式（4），导体中的电流密度为 （7）这就是欧姆定律的微分形式.由气体分子动理论知道，等于自由电子的热运动平均速率与平均自由程之比为 （8）由以上（8）式得 （9）因欧姆定律中 ，故电导率为 （10）式（10）中的表示电导率，这样，我们就用经典的电子理论解释了欧姆定律，并导出了电导率与微观量平均值之间的关系，又由式（10）可以看出电导率与自由电子的热运动平均速率成反比，与平均自由程成正比.根据气体分子运动论，分子的平均热运动动能与绝对温度成正比，对于金属内自由电子的热运动亦应有同样结果，即应有 （11）式中是一个
13、普适常量.从（11）式还可以看出与温度的关系，因为与温度无关，与成正比（是热力学温度），所以， 从而电阻率 ，这就说明了为什么随着温度的升高，金属的电导率减小，电阻率增加.不过应当指出，从经典电子论导出的结果只能定性的说明金属导电的规律，（10）式计算出的电导率的具体数值与实际相差甚远.此外或与温度的关系也不对.实际上对于大多数金属来说，近似地与T（而不是）成正比.下面我们在定性的解释一下电流的热效应.在金属导体里，自由电子在电场力的推动下做定向运动形成电流.在这个过程中，电场力对自由电子作功，使电子的定向运动动能增大.同时，自由电子又不断地和正离子碰撞，在碰撞时把定向运动能量传递给原子实，使它的热振动加剧，因而导体的温度就升高了.综上所述，从金属经典理论来看，“电阻”所反映的是自由电子与正离子碰撞造成对电子定向运动的破坏作用，这也是电阻元件中产生焦耳热的原因.下面再进一步推到和的关系.金属是良好的导热材料，将一金属棒两端维持恒定的温度差，实验表明，单位时间内通过单位横载面的热量为 （12）式中 是沿金属棒的温度梯度，称为金属的热导率，用以描述金属的导热性能.金属的导热性与导电性一样，都
