導(dǎo)電物理-綜述

導(dǎo)電物理-綜述5.1概述在許多情況下，材料的導(dǎo)電性能比力學(xué)性能還重要。導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料等都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。5.1概述舉例：長(zhǎng)距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線應(yīng)該具有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導(dǎo)電性，以防止產(chǎn)生短路或電弧。作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體對(duì)其導(dǎo)電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽(yáng)能利用效率。能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中攜帶電荷的載流子是電子在離子化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。5.1概述控制材料的導(dǎo)電性能實(shí)際上就是控制材料中的載流子的數(shù)量和這些載流子的移動(dòng)速率。對(duì)于金屬材料來(lái)說，載流子的移動(dòng)速率特別重要。對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說，載流子的數(shù)量更為重要。載流子的移動(dòng)速率取決于原子之間的結(jié)合鍵、晶體點(diǎn)陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴(kuò)散速率。5.1概述部分材料的電導(dǎo)率材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率

（Ω-1·cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13×105堿土金屬M(fèi)g1s22s22p63s22.25×105ⅢA族金屬Al1s22s22p63s23p13.77×105過渡族金屬Fe......3d64s21.00×105Ⅳ族元素材料Si............3s23p25×10-6高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料Al2O310-145.1概述經(jīng)典自由電子論量子自由電子論能帶理論分析理論5.1概述經(jīng)典自由電子論金屬是由原子點(diǎn)陣組成的，價(jià)電子是完全自由的，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng)遵守經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，遵守氣體分子運(yùn)動(dòng)論。這些電子在一般情況下可沿所有方向運(yùn)動(dòng)等這些電子在一般情況下可沿所有方向運(yùn)動(dòng)。在電場(chǎng)作用下自由電子將沿電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)，從而在金屬中產(chǎn)生電流。電子與原子的碰撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻。5.1概述成功：困難：可以推導(dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)?楞次定律等一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問題電子比熱問題根源在于它是立足于牛頓力學(xué)5.1概述一價(jià)金屬和二價(jià)金屬的導(dǎo)電問題按照自由電子的概念，二價(jià)金屬的價(jià)電子比一價(jià)金屬多，似乎二價(jià)金屬的導(dǎo)電性比一價(jià)金屬好很多。但是實(shí)際情況并不是這樣。材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率

（Ω-1·cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13×105堿土金屬M(fèi)g1s22s22p63s22.25×1055.1概述電子比熱問題按照經(jīng)典自由電子論，金屬中價(jià)電子如同氣體分子一樣，在溫度T下每1個(gè)電子的平均能量為3kBT/2(kB為玻耳茲曼常數(shù))。對(duì)于一價(jià)金屬來(lái)說，每1mol電子氣的能量Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中NA為阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.022×1023mol-1,R為氣體常數(shù)。1mol電子氣的熱容Cev=dEe/dT=3R/2≈3cal/mol。這一結(jié)果比試驗(yàn)測(cè)得的熱容約大100倍。5.1概述經(jīng)典自由電子論的問題根源在于它是立足于牛頓力學(xué)的，而對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)問題，需要利用量子力學(xué)的概念來(lái)解決。5.1概述量子自由電子論金屬離子所形成的勢(shì)場(chǎng)各處都是均勻的，價(jià)電子是共有化的，它們不束縛于某個(gè)原子上，可以在整個(gè)金屬內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)，電子之間沒有相互作用。電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)原理。5.1概述由于在量子自由電子中，電子的能級(jí)是分立的不連續(xù)的，只有那些處于較高能級(jí)的電子才能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級(jí)上去，那些處于低能級(jí)的電子不能跳到較高能級(jí)去，因?yàn)槟切┹^高能級(jí)已經(jīng)有別的電子占據(jù)著。這樣，熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總的價(jià)電子數(shù)，所以用量子自由電子論推導(dǎo)出的比熱可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而經(jīng)典自由電子論認(rèn)為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計(jì)算出的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)值。5.1概述量子自由電子論的問題在于認(rèn)為勢(shì)場(chǎng)是均勻的，因此還是不能很好地解釋諸如鐵磁性、相結(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等一些問題。5.1概述能帶理論則是在量子自由電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性勢(shì)場(chǎng)的存在，從而導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點(diǎn)，并建立了禁帶的概念。能帶理論5.1概述從連續(xù)能量分布的價(jià)電子在均勻勢(shì)場(chǎng)中